原子核與基本粒子

1、拾、原子核與基本粒子簡(jiǎn)介10.1 原子與次原子世界（ sub-atomic world）的研究 蛻變（ disintegration，包括放光） 散射（ scattering，包括彈性被散射者能量不改變，或非彈性被散射者能量改變）能階、磁矩、各種量子數(shù)能量範(fàn)圍空間範(fàn)主要探測(cè)憑藉圍（ probes）原子物理（ low-energyeV，低能量 0.1 nm紅外光、可見(jiàn)光、紫physics）外光、電子（ e）探keV數(shù)十 10 fmX 射線、電子微keV入原原子核物理（狹0.01 MeV82，Z=82 的鉛最穩(wěn)定）4n 系列： 23290Th22888Ra22889 Ac22890Th. 2088

2、2Pb (thorium series)2.01 1010 y4n+2系列： 23892U23490Th.20682Pb(uranium series)6.52 109 y4n+3系列： 23592U23190Th.20782Pb(actinium series)1.02 109 y4n+1系列： 23793 Np23491 Pa .20982Pb (neptunium series, artificial)3. 25 106 y 衰變理論Gamow theory: potential barrierpenetrationr1rdrr12 m (V r E )22dr穿隧機(jī)率 t er0er0

3、r1 2m(V rE )2drer0,是在核內(nèi)的平均速率。 E 大大 t1/ 22r0短，極為敏感。此是Geiger-Nuttal law。 衰變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 射線實(shí)為電子束。衰變屬弱作用。 衰變有三種情況：1.decay： ZA XZA1Ye .發(fā)生的條件是 M2.decay： ZA XZA1Ye .發(fā)生的條件是 MZ,AMZ 1,A 0Z , AM Z 1, A 2me 03. electron capture (EC)： ZA XeZ A1Y .發(fā)生的條件是 M Z , AM Z 1,A0這時(shí)，會(huì)發(fā)出特性X 射線。 衰變的能譜連續(xù)1932 年 Pauli 揣測(cè)在 衰變時(shí)，另有一種質(zhì)量極微小

4、的中性粒子放出，稱為中微子（ neutrino）：ZA XZ A1Ye。後來(lái)知道中微子有粒子與反粒子兩種：衰變伴隨，衰變伴隨。果然在 1956年，Reines 與 Cowan 發(fā)現(xiàn)反微中子。 吳健雄的 60Co 實(shí)驗(yàn)1956 年，李政道（ T. D. Lee）與楊振寧（ C. N. Yang）猜測(cè)奇偶性（ parity ）在弱作用下不守恆 有左右不對(duì)稱現(xiàn)象。李政道建議吳健雄做 60Co 實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)於 1956 年底完成，明確顯示了弱作用下的左右不對(duì)稱現(xiàn)象，為物理界開(kāi)拓新紀(jì)元。低溫下 ( 10-2 K) 磁場(chǎng)中60Co 的衰變衰變方向如果左右對(duì)稱的話60 Co衰變方向低溫下 ( 10-2 K)

5、 強(qiáng)磁場(chǎng)中60Co的衰變實(shí)驗(yàn)結(jié)果60 Co衰變方向低溫下 ( 10-2 K) 磁場(chǎng)中低溫下 ( 10-2 K) 磁場(chǎng)中60Co的衰變60Co的衰變衰變方向衰變方向改變電流方向60 Co60Co60 Co衰變方向衰變方向與電流方向總呈左手螺旋！實(shí)驗(yàn)的解釋： 2760Co2860Nie，60Co 的核儀數(shù) I5，60Ni 的核儀數(shù) I4。在低溫下， 60Co 原子核在外加磁場(chǎng)下都排列於沿磁場(chǎng)（右手定則）的同一方向，衰變時(shí)所減少的角動(dòng)量 1 必為 e , 兩者帶走。此兩者的儀數(shù)都是 1/2，當(dāng)各帶走1的角動(dòng)量。但必為右手旋，所以沿磁場(chǎng)方向走，逼得電子只能朝相反方向2走。是以，左右不對(duì)稱的根本原因在於

6、 只能是右手旋，沒(méi)有左手旋的 。另方面，則 只能左手旋，沒(méi)有右旋的 。換言之，都是左右不對(duì)稱的中微子在搞鬼。 衰變（從略）10.3 原子核的結(jié)構(gòu)1911 年 Rutherford 發(fā)現(xiàn)原子核。原子核的基本性質(zhì)：電荷數(shù) Z質(zhì)量數(shù) A大小 1F1fm （從散射可知）核力：吸引 attractive近程 short-ranged強(qiáng)作用 strong interaction：在核內(nèi)必大過(guò)電磁力，才能對(duì)抗質(zhì)子間的斥力。核儀數(shù)（ nuclear spin）I ，整數(shù)或半整數(shù)。（從原子光譜的超精細(xì)構(gòu)造或同極雙原分子的 Raman 轉(zhuǎn)動(dòng)光譜可推知）磁偶極矩 （可從原子束法或核磁共振法Nuclear Magne

7、tic Resonance測(cè)量）gI I n ， ne是核磁矩單位 nuclear magneton，2mp例質(zhì)子 p： gI5.585526 ，2.792763 n37Li ： gI2.1688 ，3.2532 n組成： Z 個(gè)質(zhì)子（ AZ）個(gè)中子電四極矩（ electric quadrupole moment）可正可負(fù)，顯示核非球形。發(fā)現(xiàn)中子 Chadwick 的實(shí)驗(yàn)（ 1932）在鈹與石蠟中間的東西，雖看不到，但能有效打出石蠟（碳?xì)浠衔铮┭e的質(zhì)子來(lái)，顯示是中性粒子，且質(zhì)量與質(zhì)子相當(dāng)。中子與質(zhì)子的比較：質(zhì)量質(zhì)能 mc2電荷儀數(shù)磁矩質(zhì)子 p1.00727662 u938 MeVe1/22.

8、792763中子 n1.0086652 u940 MeV01/21.913148nn Heisenberg提出同種儀（ isospin）的概念Heisenberg1932年將質(zhì)子與中子視為同一種粒子 （核子 nucleon）的不同狀態(tài)。其算學(xué)比照儀（spin）；這種粒子的同種儀數(shù)為1/2，質(zhì)子為上儀（），中子為下儀（）。列表如下：同種儀數(shù) T在同種儀宇裡第三軸的分量T3核交互作用的強(qiáng)度質(zhì)子 p1/21/2相同中子 n1/21/2（charge-independent）湯川秀樹(shù)理論至於為何核子間有近程的吸引力？日人湯川秀樹(shù)（ Yukawa）1935 年提出介子理論，認(rèn)為是因?yàn)橛幸环N介子（當(dāng)時(shí)稱

9、mesotron）作為媒介。這種機(jī)制就好像電磁作用是經(jīng)由光元作媒介一樣，所差者：光元沒(méi)有靜止質(zhì)量，介子有。設(shè)介子的質(zhì)量為 m，以下列表說(shuō)明湯川秀樹(shù)理論的思路：電磁學(xué)理論介子理論能量與動(dòng)量關(guān)係Epc ,E 2p2c2E2p2 c2m2c4過(guò)渡到量元學(xué)pi,Eit真空中態(tài)幅 r ,t的2120212m2c4方程式c2t 2c2t 220波方程Klein-Gordon equation有源頭的方程式21212m2c22c2 t 20c2 t 22C靜態(tài)情況222C,mc0點(diǎn)源（ point source）12122情形（用球面極座標(biāo)）r 2rrrrC rr 2rrrC r解1e rrre r表示一種

10、短程交互作用：作用程（range） 1。rmc以核力的作用程 1.4 F 代入， mc21.4c140MeV 。10 15該粒子於 1947 年發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)稱之為 介子（ meson）。注意：上式中若令 m 0 ，則作用程，此即電磁作用的情形。原子核模型（略）10.4 原子核反應(yīng)aAbB通常 A 為靶（不動(dòng)），從能量守恆， K ama c2mAc2K b mb c2K B mBc2 。Q mamAmb mB c2Kb K B K a .Q0 稱釋能反應(yīng)（ exoergic reaction）， Q0 稱吸能反應(yīng)（ endoergic reaction）。通常 KB難測(cè)量，改為測(cè)量 b 的角度 ?？?/p>

11、證在不必用相對(duì)論的情形下：K a 1 ma1QK b1mb2 K a Kbma mb 2 cos，若已知 ma , mA , mb , mB 之mBmBmB三，可由實(shí)驗(yàn)算出第四者的質(zhì)量。 核裂變（ nuclear fusion）1939 Hahn-Strassmann： n 23592U23692UXYn s .鍊式反應(yīng) chain reaction。Qm92,235 m0 ,1 m92, 236 c26.6 MeV23892U 與 23592U 有別： Q m92, 238m0,1 m92, 239 c25.1 MeV，但原子核像一液滴有表面緊張能（ surface tension ener

12、gy）約 6.0 MeV，故 23592U 會(huì)分裂， 23892U 不會(huì)分裂；鈾元素須經(jīng)富化 （enrichment）,提高其 23592U 的成分，才能起作用。會(huì)分裂的元素不多，還有鈽23994 Pu 與釷 23390Th 。 23892U 雖不會(huì)分裂，但核能電廠裡的23892U 吸收中子可變成 23994 Pu ，是可分裂的；這就是滋生反應(yīng)爐（breeder reactor）的基本原理。 核聚變（ nuclear fission，或稱核融合）與星球的能源Bethe1939年解釋星球的能源，來(lái)自質(zhì)子質(zhì)子鍊 （proton-proton chain）。ppde,pd23He,23 He23He

13、24Hepp 或p23He24Hee.總而言之， ppppQ = 24.7 MeV。另外， e24He2e2在星球裡容易與 s。其中有強(qiáng)作用，也有弱作用。 e 對(duì)滅成為 2 s ，因此這一反應(yīng)總共釋放的能量為26.7 MeV。Bethe 又指出另一更有效的聚變機(jī)制，是透過(guò)所謂碳氮氧循環(huán)（ carbon-nitrogen-oxygen cycle）；這時(shí)，碳、氮、氧的角色是催化：在這聚變反應(yīng)中，平均每一質(zhì)子可釋放的能量是6.8 MeV 1 10 12 J。從已知太陽(yáng)的質(zhì)量，可估計(jì)得其中有約41056 個(gè)質(zhì)子，因此共可釋放約41044 J 的能量?，F(xiàn)今太陽(yáng)放出能量的功率為410 26 W（所謂 s

14、olar constant）。所以，設(shè)若太陽(yáng)一直維持目前的輻射量，它還可存活約1 1018 s，換言之，約 31010 年。 核聚變與地球能源要解決地球上能源問(wèn)題，須寄望可控制的核聚變反應(yīng)（ controllable nuclear fusion）。水中可提煉出重氫（氘、氚） ：dt24HenQ = 17.6 MeV.此種能源不愁來(lái)源 ，又無(wú)輻射污染問(wèn)題 。卻難在電離體（plasma）的圍控（confinement）這一問(wèn)題上。有兩種圍控方式：磁圍控（ magnetic confinement，利用磁場(chǎng)）及慣性圍控（ inertial confinement，利用四面八方向內(nèi)射的雷射束）。尚待

15、突破。10.5 基本粒子簡(jiǎn)介基本粒子物理簡(jiǎn)史年份主要發(fā)現(xiàn)或提議者事件1897J. J. ThomsonDiscovery of electron1905EinsteinSuggestion of photon1919RutherfordDiscovery of proton1928DiracPrediction of positron1932ChadwickDiscovery of neutron1932PauliSuggestion of neutrino1932AndersonDiscovery of positron1932HeisenbergSuggestion of isospin

16、symmetry1932FermiWeak interaction mechanism1935YukawaPrediction of meson1937Street / StevensonDiscovery of muon1947Pancini et alDiscovery of pion1950sAGS, BrookhavenProduction of strangeparticles1953Reines / CowanDiscovery of neutrino1955Chamberlain / Segr Discovery of antiproton1956Lee / Yang, WuDi

17、scovery of violation of left-right意義第一個(gè)輕子第一個(gè)重子第二個(gè)重子第一個(gè)反粒子說(shuō)明弱作用說(shuō)明核力緣由電子的二哥第一個(gè)介子奇異數(shù)的引入電子的配偶質(zhì)子也有反粒子弱作用裡左右不symmetry in weak interactions1961Gell-Mann / Ne manSU(3) symmetry1962Lederman / SteinbergerTwo-neutrino experiment1964Discovery of 1964Gell-Mann / ZweigQuark model for hadrons1964Cronin / FitchDisc

18、overy of CP violation1967Salam, WeinbergSuggestion of electroweakinteraction1970GlashowPrediction of four quarks1974Ting, RichterDiscovery of J/ as cc1975PerlDiscovery of taon1977LedermanDiscovery of as bb1970sStandard model and quantumchromodynamics (QCD)1979DESYDiscovery of three-jets as evidenceof gluon1982Rubbia, CERNDiscovery of W and Z01995FNALDiscovery of the t quark對(duì)稱強(qiáng)子的分類中微子不只一種支持 SU(3)