介子包括π介子、K介子和η介子等。介子的发现是从核力的研究开始的。1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介质理论，认为核力像电磁力一样是一种交换力，核子间通过交换某种媒介粒子而产生相互作用。根据量子力学的测不准关系，结合核力作用距离（力程）推算，传递核力的介子质量约为电子质量的200倍。1947年从宇宙射线发现的π介子符合这种要求。同年，罗彻斯特和巴特勒在宇宙射线中发现了K介子，K介子又称奇异粒子。介子都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转变为别种基本粒子。

　　π介子

　　π介子有三种：π⁺、π⁰、π^－，通过实验测得，π⁺和π^－质量为电子的273.3倍，电中性的π⁰质量为电子的264.3倍。

　　按照形态场假说的观点，π介子是两个电子质量场并联组成的复合粒子，π⁺、π^－介子携有两个单位的电荷和两个单位的磁场（2S），因此，荷电π介子的准确记法是π_⁺²、π^-2。同时，比照质子质量的计算方法，质量也增大至原质量值的2倍，为279.2MeV，是电子质量的546.4倍。π⁰介子由一个正电子和一个负电子组成，二电子电场构成环形结构，对外不显电性；但是，与π^±介子一样，π⁰介子也携有两个单位的磁场（2S），因而，质量也同时增大2倍，为270MeV。

　　π介子结构式为：

π⁺²=e⁺+ (M) +e⁺

π⁰=e⁺+ (M)+ e^－

π^－2=e^－+ (M) +e^－

　　结构图谱：

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　　π介子通过粒子碰撞或衰变而产生，但不独立存在于原子核之中，它只是动态电子与质子中的一个电子结合形成的一种中间过渡状态。π介子质量场能够与核子质量场相结合，因而，表现出强相互作用特征。

　　π^±介子的平均寿命为2.6×10-8秒，几乎100%地衰变为μ子，π⁰衰变为光子。其衰变列式如下：

π⁺² → μ⁺→2e⁺

π^－2→ μ^－→2e^－

π⁰→ e⁺+e^－→2γ_e+2γ_m

　　π^±介子衰变是两电子质量场并联转换为电场串联的过程，先演化为μ子，μ子再分解为电子。π⁰介子衰变则是正负电子湮灭过程，生成一对γ_e光子和一对γ_m光子。

　　K介子

　　1947年，罗彻斯特和巴特勒在两张宇宙射线的云室照片中，发现了二个质量为电子质量1000倍的粒子分别发生衰变的径迹，一个中性，一个带电，后来判定是一种新的粒子——K介子的衰变方式：

K⁰ → π⁺+π^－ 

K⁺→μ⁺+ν_μ

　　1954年，福勒等人将加速能量达1.5GeV的π^－束流引入含氢气的云室，观察到如下的反应和后续衰变方式：

π^－+P→K⁰+Λ⁰

K⁰ → π⁺+π^－ 

Λ⁰→ π^－+P

　　K介子被称为奇异粒子，这类粒子有一个奇异特性：当它们由于粒子之间相互碰撞而产生时，总是一起产生，而且产生得很快，可是衰变却各自独立地行事，而且衰变得很慢。简单说来，就是它们总是协同产生、非协同衰变。[1]

　　K介子的发现，曾给粒子物理学带来巨大的理论困惑。当时实验发现了两种粒子，一个叫θ介子，另一个叫τ介子，这两种粒子的质量、寿命和电荷完全相同，唯一区别在于：θ介子衰变为两个π介子，而τ介子衰变为三个π介子。按照粒子物理学的观点，三个π介子的总角动量为零，宇称为负，而两个π介子的总角动量如为零，则其宇称只能为正。鉴于质量、寿命和电荷这三项相同，θ和τ应是同一种粒子；但从衰变行为来看，如果宇称守恒，则θ和τ不可能是同一种粒子，这就是所谓的“θ-τ”疑难。

      为了解决“θ-τ”疑难，1956年，李政道和杨振宁提出了在弱相互作用过程中宇称不守恒的假设。1957年，吴健雄通过“极化核β衰变”实验证明了这一假设，最终θ和τ被认定为是同一种粒子，后来称这种粒子为K介子。

　　那么，在粒子形态场理论中，θ和τ两种粒子是一种什么关系呢？下面就来探讨这个问题。

　　粒子形态场理论认为，粒子的性质是由组成粒子的电子对（π介子）决定的，衰变产物直接反映了粒子的元素构成。根据荷电K介子的衰变产物μ+子推断，衰变生成两个π介子的K+（θ）介子的结构式为：

K⁺（θ）= M ( e⁺— e⁺) +（Q）+ M ( e⁺— e⁺)

　　结构图谱：

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　　粒子结构模型表示，K⁺（θ）是由两组正电子对组成的，每组正电子对通过质量场作用（M键）组成横向结构，再由电场作用（Q键）组成纵向结构。当M键断裂时，纵向电子对结合生成一对μ⁺子。当Q键断裂时，横向正电子对结合生成一对π⁺介子，这就是K⁺（θ）介子的衰变机理。

　　研究认为，粒子衰变一般都是先生成π介子，然后再由π介子衰变为μ子。因此，K⁺（θ）介子衰变反应表达如下：

K⁺（θ）→ 2π⁺² →2 μ⁺

　　K⁺（θ）的反粒子是K^－（θ），其结构式为：

K^－（θ）= M ( e^－— e^－) +（Q）+ M ( e^－— e^－)

　　结构图谱：

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　　K^－（θ）介子衰变列式为：

K^－（θ）→ 2π ^－2 →2 μ^－

　　同理，根据τ介子的衰变列式：

τ⁺ → π⁺+π⁺+π^－ 

τ⁺ → π⁺+π⁰+π⁰

　　推得K⁺（τ）介子的结构式为：

K ⁺（τ）= M (e^－—e^－) +（Q）+ M ( e⁺— e⁺) +（Q）+ M ( e⁺— e⁺)

　　结构图谱：

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　　粒子结构模型表示，K⁺（τ）由一组负电子对和两组正电子对组成，每组电子对通过质量场作用（M键）组成横向结构，再由电场作用（Q键）组成纵向结构。当Q键断裂时，可生成一个π^－和两个π⁺，这就是K⁺（τ）介子的第一种衰变方式。当M键断裂时，将生成2个π⁰和一个π⁺，这就是K⁺（τ）介子的第二种衰变方式。

　　K⁺（τ）的反粒子是K^－（τ），其结构式为：

　　K^－（τ）= M ( e⁺— e⁺) +（Q）+ M (e^－—e^－)  +（Q）+ M (e^－—e^－)

　　结构图谱：

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　　由此可见，在结构组成上，K（τ）是由K（θ）和一个π介子组成的复合粒子。

　　既然θ和τ是两种粒子，那么，为什么它们的质量、寿命和电荷却是相同的呢？下面就从实验的角度来探讨这一问题。

　　参照粒子的结构图谱，K⁺（θ）是由两组正电子对通过质量场并联和电场串联组成的复合粒子。根据电场的串联效应，K⁺（θ）携有两个单位的电荷，准确记法是K⁺²（θ）；同时，根据质量场并联效应，每组正电子对携有两个单位的磁场（2S），因而，K⁺（θ）共携有两组（2S）磁场，记为：2×2S。K⁺（τ）介子是由一组负电子对和两组正电子对通过质量场并联和电场串联组成的复合粒子，也携有两个单位的电荷，准确记法是K⁺²（τ）。K⁺²（θ）和K⁺²（τ）都携有两个单位的电场，表明两种粒子的电荷数相等。在磁场方面，组成K⁺²（τ）的第一组负电子对质量场为左手旋，磁场性质为“负”，后两组正电子对质量场为右手旋，磁场性质为“正”。换句话说，K⁺²（τ）磁场是由一组负磁场和两组正磁场组成的，记为：（-2S）+2×2S。

　　参照质子质量的测定实验，带电粒子质量的测定是借助于磁场来完成的。把带电粒子引进磁场中，磁场对带电粒子产生洛伦兹力作用，通过测量粒子的偏转量或圆周运动的半径，可以计算出粒子的质量。

　　在K⁺²（τ）粒子的Q场联线上，串联有负磁场和正磁场，正负磁场与外界磁场作用，所产生的洛伦兹力的方向正好相反。因而，只要K⁺²（τ）粒子进入磁场，第一组负电子对就会与后两组正电子对发生分离，产生如下衰变：

K⁺²（τ）→K⁺²（θ）+ π^－

　　即K⁺²（τ）粒子分解为K⁺²（θ）和π^－两种粒子，分离出来的K⁺²（θ）继续沿着K⁺²（τ）方向运动。这时，根据粒子在磁场中的偏转量或圆周运动的轨道半径测定的粒子质量，只是K⁺²（θ）粒子质量，而不是K⁺²（τ）质量，因而势必得出K（τ）和K（θ）两种粒子质量相等的结论。

　　粒子寿命的测定也是如此，在测定K⁺²（τ）粒子寿命时，K⁺²（τ）已分解为K⁺²（θ）和π介子，测定值不是K⁺²（τ）粒子的真正存续时间，而是K⁺²（θ）粒子的寿命，结果与质量测定结论如出一辙。

　　K介子 真不愧为奇异粒子的称号，除荷电K介子以外，中性K介子也表现出了复杂的特性。以往理论研究认为，中性K介子有两种——K⁰和(K⁰)’，二者互为反粒子。中性K介子不能以K⁰或(K⁰)’态独立存在，而是在运动中转化为K⁰和(K⁰)’两粒子的组合状态。通常把短寿命（～10^-10秒）的一种记为K⁰_S，长寿命（～10^-8秒）的一种记为K⁰_L。[3]

　　K⁰_S态粒子有两种衰变方式：

K⁰_S→ π⁺+π^－

K⁰_S→ π⁰+π⁰

　　根据K⁰_S介子的衰变产物，推得K⁰_S介子结构式为：

K⁰_S= M (e⁺— e^－) +（Q）+ M (e⁺— e^－) 

　　结构图谱：

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　　粒子结构模型表示，K⁰_S是由两组正负电子对组成的，每组正负电子对通过M键组成横向结构，通过Q键组成纵向结构。当M键断裂时，直接衰变产物是生成一个μ⁺和μ^－，如若两对同性电子重新以M键链接，则会生成π⁺和π^－，这就是K⁰_S介子的第一种衰变方式。当Q键断裂时，横向正负电子对组成π⁰，因而将生成一对π⁰，这就是K⁰_S介子的第二种衰变方式。

　　K⁰_L态粒子也有两种衰变方式：

K⁰_L→ π⁺+π^－+π⁰

K⁰_L→ π⁰+π⁰+π⁰

　　根据K⁰_L介子的衰变产物，推得K⁰_L介子结构式为：

K⁰_L = M (e⁺— e^－) +（Q）+ M (e⁺— e^－) +（Q）+ M (e⁺— e^－) 

　　结构图谱：

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      粒子结构模型表示，K⁰_L是由三组正负电子对组成的，每组正负电子对通过M键组成横向结构，再通过Q键组成纵向结构。当M键断裂时，可生成e^±对、μ^±子对或τ^±子对（有待实验检验），同时释放出γ_m光子。如若两对同性电子以M键链接，则会生成π⁺、π^－和π⁰，这就是K⁰_L介子的第一种衰变方式。当Q键断裂时，横向正负电子对组成π⁰，将生成3个π⁰，同时释放出如γ_e光子，这就是K⁰_S介子的第二种衰变方式。

　　由此可见，所谓的K⁰和(K⁰)’两种组合状态，表述的是两种不同结构的粒子。其中，K⁰_S粒子与K⁺（θ）、

     K^－（θ）二粒子结构相同，都是由两组π介子组成的，应列为K（θ）介子族的中性介子，表示为K⁰（θ）。

K⁺（θ）、K⁰（θ）、K^－（θ）三种粒子与π介子一样，已没有了奇异粒子的特性，属于K（2π）介子族。比照

π介子族（π⁺—π⁰—π^－）组成模式，K（2π）介子族组成为：K⁺（π⁺—π⁺）、K⁰（π⁰—π⁰）、K^—（π^－—π^－）。同理，K⁺（τ）、K^－（τ）和K⁰_L粒子是由三个π介子组成的，应列入（3π）介子族。

　　η介子：

　　在介子族群之中，有一种粒子与K⁰_L粒子衰变方式相同，都能衰变生成3个π介子，它就是η⁰介子。η⁰介子质量与K介子接近，为548.8MeV，但寿命相差较大，为2×10^-19秒。

　　η⁰介子有5种衰变方式，其中，衰变生成3个π介子的衰变模式有两种，衰变列式如下：

η⁰→ π⁺+π^－+π⁰

η⁰→ π⁰+π⁰+π⁰

　　不难发现，上述两种衰变方式与K⁰介子衰变完全相同，据此推断，η⁰介子就是K⁰介子的第二种组合形态——K⁰_L粒子。

　　η⁰粒子的结构组成为：π⁰—π⁰—π⁰。按照粒子“族”概念推理，还应存在着由三个同性π介子组成的荷电η介子，其结构为：η⁺（π⁺—π⁺—π⁺）、η^－（π^－—π^－—π^－），三种介子共同组成了η（3π）介子族：η⁺—η⁰—η^－。加上K⁺（τ）、K^－（τ）两种混合结构粒子，在（3π）介子族中共有5个成员粒子。

　　η^±介子结构式为：

　　η⁺= M ( e⁺— e⁺) +（Q）+ M ( e⁺— e⁺) +（Q）+ M ( e⁺— e⁺)

　　η^－= M ( e^－— e^－) +（Q）+ M ( e^－— e^－) +（Q）+ M ( e^－— e^－)

　　缩略式：η⁺=3× M ( e⁺— e⁺)（Q）

　　　　　　η^－= 3× M ( e^－— e^－)（Q）

　　结构式中M ( e⁺— e⁺)、M ( e^－— e^－)表示的是π⁺、π^－介子结构，因此，η^±介子结构式可简记为：

η⁺= 3π⁺ (Q)

η^－ = 3π^－ (Q)

　　η⁺粒子结构图谱：

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　　η^－粒子结构图谱：

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　　η^±介子是理论预测的一种粒子，根据粒子的结构图谱，η^±介子按照下列方式发生衰变：

　　第一种衰变方式：

η⁺→ π⁺+π⁺+π⁺

η^－→ π^－+π^－+π^－

　　第二种衰变方式：

η⁺→ K⁺+π⁺

η^－→ K^－+π^－

　　具体地说就是，当η^±粒子以第一种方式衰变时，生成三个π^±介子；当η^±粒子以第二种方式衰变时，生成一个K^±介子和一个π^±介子。应该说，上述两种衰变方式，在粒子物理学中是不被承认的，因为它违背了电荷守恒定律，一个荷电粒子不可能生成两个或三个荷电粒子。η^±介子至今没有被发现，应该与此有关。

　　η⁰介子还有另外三种衰变方式：

η^₀→ π⁺+π^－+γ

η⁰→ π⁰+2γ

η⁰→ 2γ

　　上述衰变的特点是，衰变产物中π介子数目减少，同时伴有光子产生。

　　无独有偶，1964年，克利斯坦森等人在十分精密的测量中发现，K⁰_L介子也有生成两个π介子的衰变方式：

K⁰_L→ π⁺+π^－

K⁰_L→π⁰+π⁰

　　这种衰变方式比例很小，只占K⁰_L一般衰变方式的千分之二左右，当时人们对这种衰变方式不很理解，被作为CP不守恒或T反演不守恒的反常事例。

　　通常情况下，粒子衰变产生光子现象与结构粒子的Q键或M键断裂有关。但是，η⁰介子衰变却与之不同，分析认为，η⁰介子衰变产生的光子是由内部结构粒子正负电子对湮灭转化而来。η⁰介子是通过粒子碰撞产生的，寿命极其短暂，只有2×10^-19秒。如果碰撞过程中，正负电子对没有形成M键联结，而是发生了湮灭现象，那么衰变反应就会产生光子。一对正负电子湮灭将生成两个电场性质的光子（γ_e）和两个质量场性质的光子（γ_m），这意味着衰变产物每少一个π⁰介子，就会产生4个光子（2γ_e+2γ_m）。这就是η⁰介子衰变产生光子，以及K⁰_L粒子衰变生成两个π介子的原因。