同位旋

与强相互作用相关的量子数

反映自旋和宇称相同、质量相近而电荷数不同的几种粒子归属性质的量子数，例如，中子和质子的同位旋相同，但是同位旋的第三分量I3不同，分别为-1/2和+1/2，且呈现对称。同位旋拥有三个分量，在强相互作用中，同位旋守恒；在弱相互作用中，同位旋不守恒。

定义

同位旋（Isospin），为与强相互作用相关的量子数。1932年，海森堡为解释新发现中子的对称性而引入同位旋。对于强力相同而电荷不同的粒子，可以看作是相同粒子处在不同的电荷状态，我们用同位旋来描述这种状态。同位旋并不是自旋，也不具有角动量的单位。它是无量纲的一个物理量。之所以叫做“同位旋”，只是因为其数学描述与自旋很类似。

在强相互作用过程中，同位旋守恒，但在弱相互作用、电磁相互作用过程中，同位旋不一定守恒。强子的同位旋反映了组成强子的上夸克和下夸克之间的对称性。

同位旋守恒是味守恒的一种。

详细内容

同位旋是粒子的性质之一。实验表明，核力具有电荷无关性，质子和质子、中子和中子及质子和中子之间的核力是相同的，这说明就核力的性质而言，质子与中子之间没有区别，因此把质子和中子看成同一种粒子的两种不同状态。有些粒子（强子）质量很接近，但电量不同，每一组这样的粒子可以看做同一粒子处于不同的态。如质子、中子为两重态；π+、π0、π-为多重态等。为描述强子的多重态，引入一个称为同位旋的量子数I。在强相互作用过程中，I守衡；弱相互作用、电磁作用过程中，I不守衡。同一多重态的粒子同位旋相同。类比自旋的概念引入抽象的同位旋空间，质子和中子是同位旋I相同，同位旋第3分量I3不同的两种状态，由此可确定它们的同位旋I=1/2，质子的I3=1/2，中子的I3=－1/2，它们组成同位旋二重态，它们质量上的微小差异来自I3的不同，犹如自旋取向不同引起自旋-轨道耦合的微小能量差异。同样Σ±、Σ0组成同位旋三重态，它们的同位旋I=1，同位旋第三分量I3分别为±1和0。原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到，强子的同位旋由组成强子的夸克的同位旋“合成”得到。强相互作用下系统的同位旋和同位旋第三分量均守恒。对于一组多重态的粒子数a，I=（a-1）/2。

对于同位旋的进一步认识是，强子的同位旋反映了组成强子的 u夸克和 d夸克之间的对称性。强相互作用的同位旋转动不变性反映了强相互作用与夸克的味无关性的一个方面的表现。强子的同位旋量子数I和I3可以由组成强子的u夸克和 d夸克的同位旋“合成”得到。

同位旋是模仿自旋的概念提出来的。一种将自旋与“常见物体”类比的方法是，考虑一个绕固定点转动的刚体杆，杆的一段连接在固定杆上。这种转动形成一个SO（3）群。将自旋的概念应用于电子这样的粒子上，恰当的对称性描述是SU（2）群，它与SO(3)群只有细微的不同。与一个自旋的陀螺要么顺时针转动要么逆时针转动类似，电子的自旋值也有限制，这些可以从某些原子光谱的分裂中看出来。

理论发展

由量子分子动力学通常应用的动量相关公式出发，引入同位旋自由度后得到了在量子分子动力学中可用于数值计算的同位旋依赖的动量相关作用，并用这个公式比较系统地研究了在它的作用下同位旋分馏比的入射道效应和它们的动力学机理。

弱同位旋

在粒子物理学中，弱同位旋是一个与弱相互作用相关联的量子数，类比了强相互作用中同位旋的观点。弱同位旋通常用T或I来表示，其第三分量则写作Tz、T3、Iz或I3。弱同位旋是对弱超荷的一个补充，其一起统一了弱相互作用和电磁相互作用。

弱同位旋守恒定律表明了弱同位旋第三分量T3的守恒：在所有弱相互作用过程中，T3必须守恒。T3也在其它已知相互作用中守恒，因此它是一个广泛守恒的量子数。因为这个缘故，T3是一个比T本身更重要的量子数，经常术语“弱同位旋”就代表着“弱同位旋第三分量”。

与手征性的关系

有着负手征性（又称为“左旋”）的费米子有T=⁄2，并能够两两配对使T3=±⁄2，这样的一对费米子在弱相互作用下表现相同。例如，上类夸克（u、c、t）有T3=+⁄2，经常衰变为下类夸克：（d、s、b），带有T3=-⁄2，或者是反过来。另一方面，一个夸克从来不会弱衰变为T和自己相同的夸克。对于左旋轻子也是这样，存在由T3=-⁄2的带电轻子（e、μ、τ）和T3=+⁄2的中微子（νe、νμ、ν τ）组成的对。

有着正手征性（又称“右旋”）的费米子有T=0，只能单个作为一组，不参与弱相互作用。

弱同位旋与W玻色子

与弱同位旋相关的对称性是SU(2)。这一对称性需要能改变弱同位旋荷的玻色子：W、W和W。这暗示W玻色子有T= 1，并且有不同值的T3。

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