原子核物理學(xué)

1、原子核物理學(xué)簡稱核物理，是20世紀(jì)新建的一個物理學(xué)分支。它研究核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律；射線束的獲得、探測和分析技術(shù)；以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。它是一門既有深刻理論意義，又有重大實(shí)踐意義的學(xué)科。 初期 1896年，A.-H.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性,這是人們第一次觀察到的核變化。通常就把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理學(xué)的開端。此后的40多年，人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對原子核做了初步的探討，這是核物理發(fā)展的初期階段。 在這一時期，人們?yōu)榱颂綔y各種射線，鑒別其種類并測定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測方法和測量儀器。大多數(shù)的探測原理和方法在以后得到了發(fā)展和

2、應(yīng)用，有些基本設(shè)備,如計(jì)數(shù)器、電離室等,沿用至今。探測、記錄射線并測定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個中心環(huán)節(jié)。 放射性衰變研究證明了一種元素可以通過衰變或衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點(diǎn)，確立了衰變規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性。統(tǒng)計(jì)性是微觀世界物質(zhì)運(yùn)動的一個重要特點(diǎn)，同經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律有原則上的區(qū)別。 放射性元素發(fā)射的能量很大的射線，特別是 射線，在當(dāng)時，為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，E.盧瑟福等人利用射線轟擊各種原子,觀測射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu),并提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型。這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ),首次提出了原子核這個名詞。

3、此后不久,人們便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀世界物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)。 1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用 粒子轟擊氮核會放出質(zhì)子（氫原子的原子核），這是首次用人工實(shí)現(xiàn)的核蛻變(核反應(yīng))。這一發(fā)現(xiàn)受到許多核物理學(xué)家的重視。用射線轟擊原子核來引起核反應(yīng)的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。在初期的核反應(yīng)研究中，最主要的成果是1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質(zhì)子組成的。中子的發(fā)現(xiàn)為核結(jié)構(gòu)的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進(jìn)入原子核而引起核反應(yīng)。因此，中子核反應(yīng)成為研究原子核的重要手段。 在30年代中，人們還

4、通過對宇宙線的研究發(fā)現(xiàn)了正電子和介子（后來稱為X子,是一種輕子），這些發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的先河。 20年代后期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初,靜電、直線和回旋等類型的加速器已具雛形，人們并在高壓倍加器上進(jìn)行了初步的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。利用加速器可以獲得束流更強(qiáng)、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴(kuò)展了核反應(yīng)的研究工作。此后，加速器逐漸成為研究原子核和應(yīng)用技術(shù)的必要設(shè)備。 在核物理發(fā)展的最初階段人們就注意到它的可能的應(yīng)用，并且很快就發(fā)現(xiàn)了放射性射線對某些疾病的治療作用。這是它在當(dāng)時就受到社會重視的重要原因。直到今天，核醫(yī)學(xué)仍然是核技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。 大發(fā)展時期 40年代前

5、后，核物理進(jìn)入一個大發(fā)展的階段。1939年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象。1942年,E.費(fèi)密建立了第一個鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆。這是人類掌握核能源的開端。核能是發(fā)展?jié)摿艽蟮囊环N能源,利用核能制成的核武器又具有空前的破壞力。為了有效利用核能源和發(fā)展核武器，需要解決一系列復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題。核物理和核技術(shù)是其中重要的一環(huán)。在這種形勢下,核物理研究飛躍發(fā)展,成為國際上競爭十分劇烈的科技領(lǐng)域。這一階段持續(xù)了30年左右，在此期間粒子加速和探測技術(shù)得到很大的發(fā)展。在30年代，人們最多只能把質(zhì)子加速到 106eV的數(shù)量級,而到70年代,人們已能把質(zhì)子加速到4×1011eV，并且可以根據(jù)工作

6、需要產(chǎn)生各種能散度特別小、準(zhǔn)直度特別高或者流強(qiáng)特別大的束流。目前，常用的加速器已投入工業(yè)生產(chǎn)，成千上萬臺加速器在研究所、大學(xué)、工廠和醫(yī)院中運(yùn)轉(zhuǎn)。40年代以來，粒子探測技術(shù)也有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用大大提高了測定射線能量的分辨率。核電子學(xué)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展從根本上改善了獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，同時也大大擴(kuò)展了理論計(jì)算的范圍。所有這一切，開拓了可觀測的核現(xiàn)象的范圍，提高了觀測的精度和理論分析的能力，從而大大促進(jìn)了核物理研究和核技術(shù)的應(yīng)用。 通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，人們對原子核的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律有了較深入的認(rèn)識?；九辶撕俗?質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱)之間的相互作用的各種性質(zhì),對穩(wěn)定核素

7、或壽命較長的放射性核素的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)已積累了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并通過理論分析，建立了各種適用的模型。例如成功地解釋了核的殼層結(jié)構(gòu)的核殼層模型，解釋了原子核的轉(zhuǎn)動振動等集體運(yùn)動的綜合模型,解釋了偶偶核某些行為的超導(dǎo)模型,從分析核子運(yùn)動的某些動力學(xué)對稱性出發(fā)的相互作用玻色子模型等。直接從量子力學(xué)多體方程式和實(shí)際核力出發(fā)的核多體理論也有所發(fā)展，可以計(jì)算某些核結(jié)構(gòu)問題。在N.玻爾于30年代提出的復(fù)合核模型的基礎(chǔ)上，不僅發(fā)展了核反應(yīng)光學(xué)模型和直接核反應(yīng)這種新的反應(yīng)機(jī)制，還逐步發(fā)展了復(fù)合核和直接反應(yīng)之間的預(yù)平衡、門檻態(tài)等機(jī)制。此外還開展了高能核反應(yīng)（見中高能核物理）和重離子核反應(yīng)（見重離子核物理）

8、的研究工作。 人們通過核反應(yīng)，已經(jīng)人工合成了17種原子序數(shù)大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進(jìn)一步表明元素僅僅是在一定條件下相對穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單位，并不是永恒不變的。天體物理的研究表明，核過程是天體演化中起關(guān)鍵作用的過程，核能就是天體能量的主要來源。人們還初步了解到在天體演化過程中各種原子核的形成和演變的過程。在自然界中，各種元素都有一個發(fā)展變化的過程，都處于永恒的變化之中。 通過高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發(fā)現(xiàn)了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子。龐大的粒子家族的發(fā)現(xiàn)，把人們對物質(zhì)世界的研究推進(jìn)到一個新的階段，建立了一門新的學(xué)科粒子物理學(xué),有

9、時也稱為高能物理學(xué)。在當(dāng)前,這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的前沿。這一發(fā)展又一次證明物質(zhì)不可窮盡性這一辯證唯物主義的光輝論斷。各種高能射線束也是研究原子核的新武器。它們能提供某些用其他方法不能獲得的關(guān)于核結(jié)構(gòu)的知識。 過去，通過對宏觀物體的研究，人們知道物質(zhì)之間有電磁相互作用和萬有引力（引力相互作用）兩種長程的相互作用；通過對原子核的深入研究，才發(fā)現(xiàn)物質(zhì)之間還有兩種短程的相互作用，即強(qiáng)相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是對傳統(tǒng)的物理學(xué)時空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規(guī)律和它們之間可能的聯(lián)系，探索可能存在的新的相互作用，已成為粒子物理學(xué)的一個重要課題。毫無疑問，核物理研究還將在這

10、一方面作出新的重要的貢獻(xiàn)。 核物理的發(fā)展，不斷地為核能裝置的設(shè)計(jì)提供日益精確的數(shù)據(jù),從而提高了核能利用的效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),并為更大規(guī)模的核能利用準(zhǔn)備了條件。人工制備的各種同位素的應(yīng)用已遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門。新的核技術(shù)，如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)、晶體的溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)以及擾動角關(guān)聯(lián)技術(shù)等都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志之一。 完善和提高 70年代，由于粒子物理逐漸成為一門獨(dú)立的學(xué)科,核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切需要核物理提供未知的數(shù)據(jù)或者研制關(guān)鍵設(shè)備，核物理進(jìn)入了一個縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。 在現(xiàn)階段，粒子加速

11、技術(shù)已有了新的進(jìn)展。由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子,其能量可達(dá)到109電子伏每核子。這就大大擴(kuò)充了人們變革原子核的手段，使重離子核物理的研究得到全面發(fā)展。隨著高能物理的發(fā)展，人們已能建造強(qiáng)束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供如介子、K介子等次級粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴(kuò)充了人們研究原子核的手段,使高能核物理成為富有生氣的研究方面。加速技術(shù)另一個引人注目的發(fā)展是超導(dǎo)技術(shù)的引用。從長遠(yuǎn)看，超導(dǎo)加速器將大大縮小加速裝置的尺寸，降低造價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，并且會進(jìn)一步提高束流的品質(zhì)。 核物理實(shí)驗(yàn)方法和射線探測技術(shù)也有了新的發(fā)展。特別要

12、指出的是，微處理機(jī)和數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)的改進(jìn)，對核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)生了深刻的影響。過去，對一個核過程同時測定幾個參量就感到困難，而現(xiàn)在，一次記錄幾十個參量已經(jīng)是核物理實(shí)驗(yàn)常見的情況。對有些高能重離子核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可以讓成千個探測器同時工作。一次記錄和處理幾千個參量，以便對成千個放出的粒子進(jìn)行測定和鑒別。另一方面，為了某種核技術(shù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用設(shè)備也都附有自動的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而簡化了操作，推廣了使用范圍。 從核物理基礎(chǔ)研究看，主要目標(biāo)在兩個方面：通過核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和相互作用，特別是核子間的相互作用；核多體系的運(yùn)動形態(tài)的研究。在第一個方面,有若干重要問題,如中子的電偶極矩、中微子的質(zhì)量以及質(zhì)子

13、的壽命等，都要通過低能核物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定，中高能核物理的研究也會提供關(guān)于粒子間相互作用的重要知識。實(shí)際上，只有通過原子核才能研究粒子間相干的或兩體以上的相互作用,例如介子凝聚問題。在第二個方面，核多體系是運(yùn)動形態(tài)很豐富的體系。過去幾十年主要研究了原子核的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)以及某些核反應(yīng)機(jī)制。目前對于諸如高自旋態(tài)、高激發(fā)態(tài)、大變形態(tài)以及遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核素等特殊的運(yùn)動形態(tài)的研究還剛剛開始,就是對于研究得較多的基態(tài)和低激發(fā)態(tài),實(shí)驗(yàn)知識也很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多體波函數(shù)所能提供的信息。因此也有進(jìn)一步研究的必要。很明顯，核運(yùn)動形態(tài)的研究將在相當(dāng)長的時期內(nèi)占據(jù)著核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。 核技術(shù)的應(yīng)用 

14、;核物理研究之所以受到人們的重視，得到社會的大力支持，是和它具有廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值密切相關(guān)的。目前，幾乎沒有一個核物理實(shí)驗(yàn)室不在從事核技術(shù)的應(yīng)用研究。有些設(shè)備甚至主要從事核技術(shù)應(yīng)用工作。下面簡要地?cái)⑹龊思夹g(shù)應(yīng)用的若干方面。 為核能源的開發(fā)服務(wù)，如提供更精確的核數(shù)據(jù)和探索更有效地利用核能的途徑等。 同位素的應(yīng)用。是核技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。同位素示蹤已應(yīng)用于各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。同位素藥劑應(yīng)用于某些疾病的診斷或治療。同位素儀表在各工業(yè)部門用作生產(chǎn)自動線監(jiān)測或質(zhì)量控制裝置。 射線輻照的應(yīng)用。加速器及同位素輻射源已應(yīng)用于工業(yè)的輻照加工、食品的保藏和醫(yī)藥的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫(yī)療等方面。為了研

15、究輻射與物質(zhì)的相互作用以及輻照技術(shù)，已經(jīng)建立了輻射物理、輻射化學(xué)等邊緣學(xué)科以及輻照工藝等技術(shù)部門。 中子束的應(yīng)用。由于中子束在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理、高分子物理等方面的廣泛應(yīng)用，人們建立了專用的高中子通量的反應(yīng)堆來提供強(qiáng)中子束。中子束也應(yīng)用于輻照、分析、測井及探礦等方面。中子的生物效應(yīng)是一個重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的療效。 離子束的應(yīng)用。是越來越受到注意的一個核技術(shù)部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設(shè)計(jì)的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制備半導(dǎo)體器件的重要手段。離子束已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)和固體物理的研究工作。離子束也是用來進(jìn)行無損、快速、痕量分析的重要手段，特別是質(zhì)子微米束，可

16、用來對表面進(jìn)行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。 在原子核物理學(xué)誕生、壯大和鞏固的全過程中，通過核技術(shù)的應(yīng)用，核物理和其他學(xué)科及生產(chǎn)、醫(yī)療、軍事等部分建立了廣泛的聯(lián)系，取得了有力的支持；核物理基礎(chǔ)研究又為核技術(shù)的應(yīng)用不斷開辟新的途徑。核基礎(chǔ)研究和核技術(shù)應(yīng)用的需要推進(jìn)了粒子加速技術(shù)和核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展；而這兩門技術(shù)的新發(fā)展，又有力地促進(jìn)了核物理的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。 參考書目 盧希庭主編：原子核物理，原子能出版社，北京，1981。 E. Segrè, Nuclei and particles, 2nd ed., W.A.Benjamin, Reading, Mass., London

17、, 1977.放射性原子核自發(fā)地放射出各種射線的現(xiàn)象，如 、放射性等。 1896年,法國科學(xué)家A.-H.貝可勒爾在研究鈾鹽的熒光現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)含鈾物質(zhì)能發(fā)射出穿透力很強(qiáng)的不可見的射線，使照相底片感光。后來，經(jīng)過人們的多年研究，終于證明它是三種成分組成的：一種是高速運(yùn)動的氦原子核粒子束，稱為 射線。它的電離作用大，貫穿本領(lǐng)小，穿不透一張薄紙。另一種是高速運(yùn)動的電子束，稱為射線。它的電離作用較小，貫穿本領(lǐng)較大，但仍穿不透一張薄金屬片。第三種是波長很短的電磁波，稱為射線。它的電離作用最小，貫穿本領(lǐng)最大，可以穿過例如1厘米厚的鉛板。 放射性射線的性質(zhì)、發(fā)射機(jī)制以及各種科技上的應(yīng)用，一直是原子核物理學(xué)研究

18、的一個重要的方面。 放射性的類型 放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它們大多屬于由重元素組成的三個放射系（即釷系、鈾系和錒系）。人工放射性是指用核反應(yīng)的辦法所獲得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法國科學(xué)家約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)的（見人工放射性核素）。 現(xiàn)在知道，許多天然和人工生產(chǎn)的核素都能自發(fā)地放射出射線。放出的射線類型除 、以外，還有正電子、質(zhì)子、中子、中微子等其他粒子。能自發(fā)地放射出射線的核素，稱為放射性核素（以前常稱為放射性同位素），也叫不穩(wěn)定核素。實(shí)驗(yàn)表明，溫度、壓力、磁場都不能顯著地影響射線的發(fā)射。這是由于溫度等只能

19、引起核外電子狀態(tài)的變化，而放射現(xiàn)象是由原子核內(nèi)部變化引起的，同核外電子狀態(tài)的改變關(guān)系很小。除自發(fā)裂變外，放射現(xiàn)象一般與衰變過程有關(guān)，主要同衰變、衰變過程有關(guān)。 放射性出現(xiàn)在衰變過程中。此時，衰變后的剩余核（通常叫子核）與衰變前的原子核(通常叫母核)相比，原子序數(shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4。衰變是母核通過強(qiáng)相互作用和隧道效應(yīng)，發(fā)射 粒子而發(fā)生的。 放射性出現(xiàn)在衰變過程中。衰變有三種類型： +衰變,放出正電子和中微子的衰變； -衰變，放出電子和反中微子的衰變； 軌道電子俘獲，俘獲一個軌道電子并放出一個中微子的過程。衰變是通過弱相互作用而發(fā)生的。 放射性通常和衰變或衰變有聯(lián)系。 和衰變的子核往往處于激發(fā)態(tài)

20、。處于激發(fā)態(tài)的原子核要放出射線而向較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷，這叫躍遷。因此，射線的自發(fā)放射一般是伴隨 或射線產(chǎn)生的。 衰變所形成的子核,當(dāng)其激發(fā)能足夠高時,有可能放射中子、質(zhì)子或 粒子，甚至可以產(chǎn)生裂變。這些衰變類型分別叫做緩發(fā)中子發(fā)射(-n)、緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射(-p)、緩發(fā) 發(fā)射(-)和緩發(fā)裂變(-f)。 自發(fā)裂變是放射現(xiàn)象的另一種類型（見核裂變）。某些重核可以自發(fā)地分裂成兩個質(zhì)量相差不多的原子核，并放出幾個中子。 質(zhì)子放射性也是放射性的一種。例如處于激發(fā)態(tài)的能自發(fā)地放射出質(zhì)子，其衰變方式如下： 這是迄今人們惟一知道的不屬于緩發(fā)質(zhì)子的質(zhì)子放射性的例子。 衰變規(guī)律 放射性原子核的衰變是一個統(tǒng)

21、計(jì)過程，所以放射性原子的數(shù)目在衰變時是按指數(shù)規(guī)律隨時間的增加而減少的，稱為指數(shù)衰減規(guī)律 。其中No是衰變時間t0時的放射性核的數(shù)目，N是t時刻的放射性核的數(shù)目，是衰變常數(shù),表示放射性物質(zhì)隨時間衰減快慢的程度。對確定核態(tài)的放射性核素， 是常數(shù)，它也表示單位時間該種原子核的衰變幾率。 放射性活度 處于某一特定能態(tài)的放射性核在單位時間的衰變數(shù)dN/dt，記作A。由指數(shù)衰減規(guī)律可以看到，A-dN/dtN。 放射性活度的國際單位是貝可勒爾(Bq)，它定義為每秒一次衰變，與以往放射性活度的常用單位居里(Ci)的關(guān)系是 1Ci3.7×1010Bq。 放射性源的放射性活度同其質(zhì)量之比，稱為

22、比活度。 測量放射性活度的方法取決于射線的類型、活度的等級等，通常分為絕對測量和相對測量兩大類。絕對測量是用測量裝置直接按照定義進(jìn)行的測量。在實(shí)際應(yīng)用中放射源大多是或 放射性，活度多數(shù)是微居里級的，這類放射性活度的絕對測量方法主要有小立體角法、4計(jì)數(shù)法和符合法等三種。相對測量是用一個已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源與待測樣品在相同條件下進(jìn)行測量，根據(jù)它們計(jì)數(shù)率的比值和標(biāo)準(zhǔn)源的活度即可算出待測源的活度。 半衰期 處于某一特定能態(tài)的放射性原子核的數(shù)目或活度衰減到原來大小的一半所需的時間，通常用符號T表示。 平均壽命指處于某一特定能態(tài)的放射性原子核平均生存的時間。 利用指數(shù)衰減規(guī)律,容易得到半衰期T同衰變

23、常數(shù)或平均壽命的關(guān)系如下 各種放射性核素的半衰期在極大的范圍變化，一般說來，核素偏離穩(wěn)定線越遠(yuǎn)(見遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核素)，它的半衰期越短。對于不同范圍的半衰期采取不同方法測量。 對半衰期在10-9秒到秒范圍的核素,采用直接測量N(t)的方法，利用指數(shù)衰減規(guī)律求出T。對半衰期在數(shù)分鐘到12年的核素，采用衰減跟蹤法，測量探測器計(jì)數(shù)率隨時間的變化,求出T。對半衰期在10年以上的核素，采用放射性比度法。此外還有測定子核法等，這些方法都基于放射性的指數(shù)衰減規(guī)律。對于極短的半衰期（小于10-9秒）的測量,需要采用一些特殊的技術(shù)（見核能級壽命測量）。 放射性的研究是十分重要的?；诜派湫缘难芯克⒌乃プ兙V圖是

24、原子核結(jié)構(gòu)理論研究的重要依據(jù)之一。通過各種核態(tài)的衰變特性的測量可研究各種核性質(zhì)和核反應(yīng)機(jī)制。大量遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核素就是根據(jù)它們的衰變特性進(jìn)行鑒定和研究的。 放射性在許多學(xué)科的研究中，在工農(nóng)醫(yī)和軍事等部門都有重要應(yīng)用。例如，在工業(yè)中的射線測厚度和射線探傷，農(nóng)業(yè)中的輻照育種和射線刺激生物生長，以及醫(yī)學(xué)中的射線診斷和放射治療等方面都是富有成效的（見放射性同位素在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用、核醫(yī)學(xué)）。放射性測量的同位素示蹤方法和活化分析方法在核技術(shù)的應(yīng)用中也占有重要位置。 參考書目 盧希庭主編：原子核物理，原子能出版社，北京，1981。 P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nucle

25、i and particles, Academic Press, New York and London, 1969. E. Segrè, Nuclei and particles,2nd ed., W. A.Benjamin,Reading, Mass., 1977. Yuan,Luke Chai-Liu and Wu Chien-Shiung,Nuclear Physics,Part A. Academic Press, New York, 1961.粒子物理學(xué)又稱高能物理學(xué)或基本粒子物理學(xué)，物理學(xué)的一個分支學(xué)科。它研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和在很高的能量下，

26、這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律。它是一門基礎(chǔ)學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。粒子物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而又基于實(shí)驗(yàn)和理論密切結(jié)合發(fā)展的，它大致經(jīng)歷了三個階段。 第一階段(18971937) 在這個階段里，兩千多年來人們關(guān)于物質(zhì)是由最小構(gòu)成單元原子構(gòu)成的思想，由哲學(xué)的推理，變成了科學(xué)的現(xiàn)實(shí)，而且在這個階段終了時，形成了現(xiàn)代的基本粒子的思想。 原子的概念,是由2 400年前的希臘哲學(xué)家德謨克利特和中國戰(zhàn)國時代的哲學(xué)家惠施提出來的。惠施說:“至小無內(nèi),謂之小一，”意思是最小的物質(zhì)是不可分的,稱作最小的單元。這個最小的單元,就是德謨克利特稱為原子的東西。但是他們都沒能

27、說明原子或“最小的單元”具體是什么。之后的2 000多年間原子這個概念,只停留在哲學(xué)思想的范疇。 1897年，J.J.湯姆孫在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子，1911年，E.盧瑟福由 粒子大角度彈性散射又證實(shí)了帶正電的原子核的存在，這樣，就從實(shí)驗(yàn)上證明了原子的存在和原子是由電子和原子核構(gòu)成的。 1932年,J.查德威克在用粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。隨即人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而得到了一個所有的物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。 就在這個時候開始形成了現(xiàn)代的基本粒子概念。 1905年，A.愛因斯坦提出電磁場的基本結(jié)構(gòu)單元是光子，1922年被A.H.康普頓等人的實(shí)

28、驗(yàn)所證實(shí)，因而光子被認(rèn)為是一種“基本粒子”。1931年，W.泡利又從理論上假設(shè)存在一種沒有靜止質(zhì)量的粒子中微子（嚴(yán)格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由F.萊因斯和C.L.科恩在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)的）。 相對論性量子力學(xué)預(yù)言，電子、質(zhì)子、中子、中微子都有質(zhì)量和它們相同的反粒子。第一個反粒子正電子（電子的反粒子）是1932年C.D.安德森利用放在強(qiáng)磁場中的云室記錄宇宙線粒子時發(fā)現(xiàn)的，50年代中期以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他粒子的反粒子。 隨著原子核物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了已知的引力相互作用和電磁相互作用之外，還存在兩種新的相互作用強(qiáng)相互作用和弱相互作用。標(biāo)志四種相互作用的強(qiáng)度的無量綱相互作用（耦合）常數(shù)及由它

29、們引起的過程速率（反應(yīng)率）見表1。 第二階段(19371964) 這個階段的開始以1937年在宇宙線中發(fā)現(xiàn)子為標(biāo)志。 子的發(fā)現(xiàn) 1934年,湯川秀樹為解釋核子之間的強(qiáng)作用短程力，基于同電磁作用的對比，提出這種力是由質(zhì)子和（或）中子之間交換一種具有質(zhì)量（電子質(zhì)量的200300倍）的基本粒子介子引起的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德邁耶在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了一種新粒子，其質(zhì)量是電子質(zhì)量的207倍，這就是后來被稱為子的粒子。子是不穩(wěn)定的粒子,它衰變成電子、一個中微子和一個反中微子，平均壽命為2×10-6秒，自旋為媡/2。 湯川最初提出的介子的電荷是正的或負(fù)的。1938

30、年，N.J.凱默基于實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的核力的電荷無關(guān)性的事實(shí)，發(fā)展了稍早些時候出現(xiàn)的同位旋的概念，建立了核力的SS(2)對稱性理論。這個理論有兩個重要的結(jié)果,一是除了帶正負(fù)電的介子之外,還應(yīng)當(dāng)有不帶電的中性介子,三種介子的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)相同；二是強(qiáng)相互作用的粒子可按同位旋分成一組組的多重態(tài)。 h介子和奇異粒子的發(fā)現(xiàn) 1947年,M.孔韋爾西等人用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)子并沒有強(qiáng)作用,直接的證明是1948年由張文裕用云室研究 子同金屬箔直接相互作用得到的。1947年C.F.鮑威爾等人在宇宙線中利用核乳膠的方法發(fā)現(xiàn)了真正具有強(qiáng)相互作用的介子,其后,在加速器上也證實(shí)了這種介子的存在。它們的質(zhì)量約是電子質(zhì)量

31、的270倍,帶有正電荷或負(fù)電荷,被稱為±介子。1950年發(fā)現(xiàn)了不帶電的0介子。子后來則和電子以及中微子歸于一類，被統(tǒng)稱作輕子。 從此以后人類認(rèn)識到的基本粒子的數(shù)目越來越多。就在1947年，G.羅徹斯特和C.巴特勒在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了V粒子(即K介子)，這就是后來被稱為奇異粒子的一系列新粒子發(fā)現(xiàn)的開始。由于它們獨(dú)特的性質(zhì)，一種新的量子數(shù)奇異數(shù)的概念被引進(jìn)到粒子物理中。在這些奇異粒子中,有質(zhì)量比質(zhì)子輕的奇異介子K±、K0和；有質(zhì)量比質(zhì)子重的各種超子，包括0、±、0、0和-等。這些新發(fā)現(xiàn)的粒子，都是不穩(wěn)定的粒子,除h0介子外(它的壽命是10-16秒),它們的平均壽命都在

32、10-610-10秒之間，所以在地球上的通常條件下，它們并不存在，在當(dāng)時的情況下，只有借助從太空飛來的高能量宇宙線才能產(chǎn)生。 這些發(fā)現(xiàn)了的基本粒子,加上理論上預(yù)言其存在,但尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)的引力場量子引力子，按相互作用的性質(zhì),可分成引力子、光子、輕子和強(qiáng)子四類（表2）。 新粒子大發(fā)現(xiàn)和強(qiáng)作用SU(3)對稱性的建立  為了克服宇宙線流強(qiáng)太弱這個限制，從50年代初開始建造能量越來越高、流強(qiáng)越來越大的粒子加速器。實(shí)驗(yàn)上也相繼出現(xiàn)了新的強(qiáng)有力的探測手段如大型氣泡室、火花室、多絲正比室等，開始了新粒子的大發(fā)現(xiàn)時期。到了60年代頭幾年，實(shí)驗(yàn)上觀察到的基本粒子的數(shù)目已經(jīng)增加到比當(dāng)年元素周期表出現(xiàn)時

33、發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的數(shù)目還要多，而且發(fā)現(xiàn)的勢頭還有增無已。1961年，由M.蓋耳曼及Y.奈曼提出的,用強(qiáng)相互作用的SU(3)對稱性來對強(qiáng)子進(jìn)行分類的“八重法”。八重法分類不但給出了當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子在其中的位置，還準(zhǔn)確地預(yù)言了一些新的粒子,如1964年用氣泡室實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的 -粒子。八重法很好地說明粒子的自旋、宇稱、電荷、奇異數(shù)以及質(zhì)量等靜態(tài)性質(zhì)的規(guī)律性。 在此階段中，證實(shí)了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、等）。其中第一個帶電的反超子廟-是由中國的王淦昌等在1959年發(fā)現(xiàn)的。此外，還發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多的壽命極短，經(jīng)強(qiáng)作用衰變的粒子共振態(tài)。 基本粒子大量發(fā)現(xiàn)，使人們

34、懷疑這些基本粒子的基本性?；玖Ｗ拥母拍?，面臨一個突變。這就是這個階段終了時粒子物理在實(shí)驗(yàn)上的狀況。 這個階段理論上最重要的進(jìn)展是量子場論和重正化理論的建立，以及相互作用中對稱性質(zhì)的研究。 量子場論和重正化理論的發(fā)展 上一階段對微觀世界理性認(rèn)識的最大進(jìn)展是量子力學(xué)的建立。經(jīng)過一代物理學(xué)家的努力，量子力學(xué)能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收及輻射等等現(xiàn)象，特別是當(dāng)它同狹義相對論結(jié)合而建立相對論性量子力學(xué)以后，它已經(jīng)成為微觀世界在原子、分子層次上的一個基本理論。但是，量子力學(xué)還有以下幾個方面的不足：它不能反映場的粒子性；它不能描述粒子的產(chǎn)生和湮沒的過程;它有負(fù)

35、能量的解,這導(dǎo)致物理概念上的困難。量子場論是由P.A.M.狄喇克、E.P.約旦、E.P.維格納、W.K.海森伯和泡利等人在相對論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過場的量子化的途徑發(fā)展出來的，它很好地解決了這三個問題。 在量子場論領(lǐng)域中最早發(fā)展起來的是量子電動力學(xué)，它是把電磁場（光子場）和電子場都加以量子化，從而描述電子和光子的各種現(xiàn)象的一種理論。40年代里，人們對這個理論中的發(fā)散困難作了深入的分析。由于J.S.施溫格、朝永振一郎、R.P.費(fèi)因曼和F.J.戴森等人的努力,在解決這個問題上有了突破性的進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn),如果重新定義理論中的質(zhì)量和電荷，使之同實(shí)驗(yàn)的觀測值相應(yīng)，則量子電動力學(xué)中的無窮大結(jié)果不再出現(xiàn)。

36、這種消除無窮大結(jié)果的方法，叫做重正化理論。它不但在原則上解決了量子電動力學(xué)中出現(xiàn)的發(fā)散困難，還提出了一整套按電子電荷的冪次展開的，直觀的，用圖形表示的逐級近似（微擾近似）的計(jì)算方法費(fèi)因曼圖方法，使量子電動力學(xué)的計(jì)算有了簡單可靠的、具有相對論協(xié)變性質(zhì)的基礎(chǔ)。P.庫什和H.M.福里1947年發(fā)現(xiàn)的電子反常磁矩，和由W.E.蘭姆等發(fā)現(xiàn)的氫原子的22S1/2和22P1/2能級的分裂，只有通過量子電動力學(xué)的重正化理論才能得到正確的解釋(見 子和電子回磁比和蘭姆移位)。今天，量子電動力學(xué)已經(jīng)經(jīng)受了許多實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，成為電磁相互作用的基本理論。 探索強(qiáng)作用的基本理論 50年代初證明了重正化的方法，

37、也適用于強(qiáng)相互作用的湯川理論。但這無助于使湯川理論成為強(qiáng)相互作用的基本理論，因?yàn)榘磸?qiáng)作用耦合常數(shù)的冪次展開級數(shù)是不收斂的，對于弱相互作用理論則更困難。1934年由E.費(fèi)密提出的弱作用理論中，雖然耦合常數(shù)小，可以作微擾展開，而且在最低階的計(jì)算得到很好的結(jié)果，但是，在高階修正時出現(xiàn)的無窮大結(jié)果不能用重新定義質(zhì)量和耦合常數(shù)的方法來消除，所以它是不可重正化的。 1954年，蓋耳曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出強(qiáng)相互作用的色散關(guān)系理論。在50年代直到60年代初它有很大的發(fā)展，在強(qiáng)作用過程的現(xiàn)象分析方面，也曾得到一些好的結(jié)果，但經(jīng)過十多年的研究，終于肯定色散關(guān)系不可能是強(qiáng)作用的基本理論，主要原因是它只包

38、含對散射振幅的普遍要求，而缺乏強(qiáng)相互作用獨(dú)有的特殊性的東西。因而它只能是一種唯象分析手段。 沿著這個方向發(fā)展的還有雷其極點(diǎn)理論等。它們在缺乏嚴(yán)格證明的情況下被推廣于強(qiáng)作用的散射理論。所得到的最重要的結(jié)果是：基本粒子的自旋和質(zhì)量有明顯的規(guī)律性；隨著入射能量增加，二體散射截面在小角度處的變化具有特定的模式。由于這些理論的出發(fā)點(diǎn)和缺點(diǎn)與色散關(guān)系大致相同，故它們的成就和存在的問題就同色散關(guān)系大致相仿。 相互作用中對稱性理論的進(jìn)展 在當(dāng)時，理論上另一重大的進(jìn)展是相互作用中的對稱性的研究（對稱性和守恒律）。如果量子場系統(tǒng)在一種對稱變換下保持不變，則將對應(yīng)著一種守恒量，例如在時空平移下不變，對應(yīng)的

39、守恒量就是能量和動量。在50年代初期，普遍認(rèn)為在各種相互作用中,都有著空間反射變換p、電荷共軛變換C和時間反演變換T的不變性，與此相對應(yīng),宇稱和C 宇稱應(yīng)該是守恒的。不過，這種觀點(diǎn)，除了1955年由泡利在很一般的前提下,從理論上證明了CPT聯(lián)合變換下量子場論的不變性以外，其他是沒有從實(shí)驗(yàn)上或理論上被嚴(yán)格證明過的。 1955年，經(jīng)過周密地對奇異粒子介子和介子的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)了-之謎。1956年,李政道和楊振寧了解到，在弱作用中宇稱守恒事實(shí)上并沒有得到過實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。他們提出,在弱作用中宇稱是不守恒的，也不存在-之謎。1957年，吳健雄小組在極化原子核60Co的 衰變的實(shí)驗(yàn)中,證實(shí)了宇稱不守恒。隨后

40、不久,宇稱不守恒在其他的弱作用過程的實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)。這些實(shí)驗(yàn)同時也證實(shí)了在弱作用中C 宇稱的不守恒。 1964年，J.W.克洛寧等人在長壽命K介子的衰變實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)有2終態(tài)的衰變，從而實(shí)驗(yàn)又證實(shí)了盡管單獨(dú)的空間反射p和單獨(dú)的電荷共軛變換C的不變性在弱作用中受到破壞，但是它們的聯(lián)合變換Cp的不變性也遭到破壞。隨后認(rèn)識到，這個實(shí)驗(yàn)事實(shí)上也證實(shí)了在弱作用中時間反演變換的不變性的破壞。 在弱作用中，與宇稱不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是極為微弱的，其根本原因至今尚沒有足夠的了解。 發(fā)現(xiàn)大量新粒子，從而使基本粒子的基本性受到猛烈的沖擊；確立了各種對稱性在弱作用中的破壞和成功地提出了強(qiáng)子分類的

41、SU(3)對稱性;確定了量子電動力學(xué)作為微觀領(lǐng)域中電磁相互作用的基本理論，但強(qiáng)作用和弱作用尚缺乏基本的理論，這就是在這個階段終了時粒子物理學(xué)發(fā)展的概況。 第三階段(1964 ) 這個階段的開始以提出強(qiáng)子由夸克組成的假說為標(biāo)志（見強(qiáng)子結(jié)構(gòu)）。 并非所有的基本粒子都是"基本"的想法，最早是在1949年由費(fèi)密和楊振寧提出的。他們認(rèn)為,介子不是基本的,基本的是核子，而介子只是由核子和反核子構(gòu)成的結(jié)合態(tài)。1955年，坂田昌一擴(kuò)充了費(fèi)密和楊振寧的模型提出了強(qiáng)子是由核子、 超子和它們的反粒子構(gòu)成的SU(3)模型。坂田的模型可以解釋介子的分類,但解釋重子的分類有著很大的困難。 夸

42、克假說的提出 1961年，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了不少共振態(tài)。1964年，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子（包括共振態(tài)）的種類增加到上百種,因而使得蓋耳曼和G.茲韋克提出,產(chǎn)生SU(3)對稱性的基礎(chǔ)就是構(gòu)成所有強(qiáng)子的構(gòu)造單元,它們一共有三種，并命名為夸克(quark)。 60年代以來，在宇宙線中、加速器上以及在巖石中，都進(jìn)行了對夸克的實(shí)驗(yàn)找尋，但迄今還沒有被確證為成功的報(bào)道。由于大量的實(shí)驗(yàn)沒有找到自由夸克，目前理論上流行的看法是需要作無窮大的功才能把兩個夸克完全分開。從而夸克不能以自由的狀態(tài)出現(xiàn),這種性質(zhì),叫做夸克囚禁。不過這僅僅是在實(shí)驗(yàn)上及理論上尚未得到完全證實(shí)的假說。 強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 在

43、60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。雖然在這些加速器上沒有找到夸克。但卻得到了間接的，但是更有力地說明夸克存在的證據(jù)。 強(qiáng)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的跡象，最早是在60年代中由電子在核子上的散射顯示出來的。1969年開始用高能量的電子作為探針來研究質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)部有著幾乎是自由的點(diǎn)狀的結(jié)構(gòu)。類似的實(shí)驗(yàn)后來也在中子上進(jìn)行，得到了相同的結(jié)論。后來又用高能量的中微子作為探針來研究質(zhì)子和中子結(jié)構(gòu)。根據(jù)對散射截面的分析，也可以得到核子里存在近似自由的、質(zhì)量不大的點(diǎn)狀物的結(jié)論（見深度非彈性散射）。 這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是夸克存在的證據(jù)。它們的電荷，可以由正負(fù)電子湮沒為強(qiáng)子的總截面

44、加以驗(yàn)證。由正負(fù)電子湮沒為強(qiáng)子的過程，同正負(fù)電子湮沒成一對+- 子的過程相仿，從理論上知道，在高能下，這兩個過程的總截面 （e+e-強(qiáng)子）和 （e+e-+-）的比值R和夸克的電荷ei有關(guān)：,i標(biāo)志夸克的類型。70年代初的 r實(shí)驗(yàn)值和理論上的夸克電荷值基本上能滿足這個關(guān)系式，從而給予了夸克模型以很大的支持。 第四種和第五種夸克 最初，在蓋耳曼等提出的假設(shè)中,夸克只有u、d、s三種，由此可以得到當(dāng)時及其后發(fā)現(xiàn)的所有粒子的一個令人滿意的分類。1974年，丁肇中及B.里希特等分別在質(zhì)子加速器和正負(fù)電子對撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種新粒子J（或稱作）;它的質(zhì)量很大，而壽命卻比大部分共振態(tài)小一萬倍，這

45、必須解釋為它是由一個新的夸克c和它的反粒子婔所構(gòu)成。這種新的夸克c又稱粲夸克，具有一種新的量子數(shù)粲數(shù)C，它的電荷是。這第四種夸克及粲數(shù)的存在,不久便因一系列的新粒子、D、F、c 等的發(fā)現(xiàn)而得到進(jìn)一步的證實(shí)。同時，在更高能量的實(shí)驗(yàn)中,上面提到的r值也增加了，這也說明了在足夠高的能量下第四種夸克開始對R作出貢獻(xiàn)。 1977年，L.M.萊德曼等發(fā)現(xiàn)了另外一個獨(dú)特的新粒子墝，它的性質(zhì)也只能以它是由另一種新的夸克b及其反粒子姼所構(gòu)成來解釋。這第五種夸克的存在,近年由新粒子墝'、墝等的發(fā)現(xiàn)而得到更多的證據(jù)?，F(xiàn)在稱第五種夸克b為底夸克，它的電荷是，帶有一種新的量子數(shù)底數(shù)B。在目前能夠達(dá)到的最高能量的

46、實(shí)驗(yàn)中，r值的進(jìn)一步增加，說明b夸克也開始對r值作出貢獻(xiàn)。 輕子的新發(fā)現(xiàn) 與強(qiáng)子的數(shù)目急劇增加的情況相反，自從1962年利用大型火花室，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩類中微子分成e和之后，長時間內(nèi)已知的輕子就只有四種：(e,e)和(,)，但是到了1975年情況有了改變，這一年M.佩爾等在e+e-對撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個新的輕子，它帶正電或帶負(fù)電，衰變成子或電子和兩個中微子,它的質(zhì)量很大，達(dá)質(zhì)子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應(yīng)，普遍相信應(yīng)有另一種中微子存在，但是尚未得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。 至今尚未發(fā)現(xiàn)輕子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。子在各個方面都同電子相同，相差只在于質(zhì)量，這是一個一直使物理學(xué)家困惑的問題所謂代的

47、問題。 的發(fā)現(xiàn)使輕子增加到三代：(e,e),(,),(, )。構(gòu)成不同代的輕子的原因是目前粒子物理研究的中心課題之一。一種嘗試是把輕子和夸克放在同一層次上考慮（表5、表6）,并考慮它們是復(fù)合粒子,是由更深一層次的粒子統(tǒng)一地構(gòu)成的。也許由于實(shí)驗(yàn)上的證據(jù)不足，這種考慮目前尚缺乏可靠的基礎(chǔ)。但不少物理學(xué)家對中微子的存在并不懷疑，這種對稱性強(qiáng)烈地意味著一種新的夸克第6種夸克t的存在,它應(yīng)當(dāng)帶有的電荷和一種新的量子數(shù)頂數(shù)T。目前在實(shí)驗(yàn)上已得到第6種夸克存在的跡象。 夸克理論提出不久, 就有人認(rèn)識到強(qiáng)子的強(qiáng)相互作用和弱相互作用的研究應(yīng)建立在夸克的基礎(chǔ)上，同時還要充分考慮強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)特性和各種過程中的運(yùn)動學(xué)特

48、點(diǎn)，才能正確地解釋強(qiáng)子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動態(tài)性質(zhì)。1965年,中國發(fā)展的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型,就是這個方向的首批研究之一。層子的命名，是為了強(qiáng)調(diào)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的無限層次而作出的。在比強(qiáng)子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來，粒子物理實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展的主流，一直沿著這個方向，在弱作用方面，已有了突破性的進(jìn)展，在強(qiáng)作用方面，也有重大的進(jìn)展（見強(qiáng)子結(jié)構(gòu)）。 電弱統(tǒng)一理論的建立 最早的弱相互作用理論，是費(fèi)密為了解釋中子衰變現(xiàn)象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，給弱作用理論的研究帶來很大的動力。隨后不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應(yīng)當(dāng)具有V-A的形式（V是矢量流，A是

49、軸矢量流）,而且適用于所有的弱作用過程，被稱為普適費(fèi)密型弱相互作用理論。 盡管在最低階的微擾論計(jì)算中，普適費(fèi)密型弱相互作用理論可以給出同實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果，然而高階的計(jì)算中出現(xiàn)的無窮大，卻無法用重正化的方法消除，這是費(fèi)密弱作用理論的根本困難。 1961年，S.L.格拉肖提出電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論。這個理論的基礎(chǔ)，是楊振寧和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規(guī)范場論。格拉肖提出，電磁相互作用和弱相互作用，具有一種特殊的對稱性SU(2)×U(1)對稱性。其中U(1)對稱性是電磁相互作用所具有的，它的阿貝耳規(guī)范場粒子光子是傳遞電磁作用的粒子,這是已為人們了解的；而SU(2)對稱性則是格拉肖提出的，弱相互作用應(yīng)具有的對稱性，按照楊振寧和密耳斯的理論，它的非阿貝耳規(guī)范場粒子有三種：W+、W-和Z0,格拉肖認(rèn)為它們是傳遞弱作用的粒子。在這個理論中，兩種相互作用是統(tǒng)一的，兩種耦合常數(shù)有著確定的關(guān)系。但是在這個理論里，W±和Z0粒子是否具有靜止質(zhì)量、理論上如何重正化等問題，沒有得到解答。 19671968年,在SU(2)×U(1)定域?qū)ΨQ性的自發(fā)破缺的基礎(chǔ)上，S.溫伯格、A.薩拉姆闡明了作為規(guī)范場粒子的W±，Z0是可以有靜止質(zhì)量的，還算出這些靜止質(zhì)量同弱作用耦