第九章原子核及粒子物理學(xué)的興起

1、2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1一一 人工核反應(yīng)的實現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)人工核反應(yīng)的實現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)二二 中子的發(fā)現(xiàn)中子的發(fā)現(xiàn)三三 人工放射性的發(fā)現(xiàn)人工放射性的發(fā)現(xiàn)四四 慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)五五 正電子的發(fā)現(xiàn)正電子的發(fā)現(xiàn)六六 中微子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)七七 介子理論的建立介子理論的建立八八 奇異粒子的研究奇異粒子的研究九九 粒子的分類粒子的分類十十 強子結(jié)構(gòu)和夸克理論強子結(jié)構(gòu)和夸克理論第九章第九章 原子核及粒子物理學(xué)的興起原子核及粒子物理學(xué)的興起2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起前言前言原

2、子核物理學(xué)是原子核物理學(xué)是研究核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律、以及核研究核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律、以及核能、核技術(shù)應(yīng)用等有關(guān)物理問題的學(xué)科，簡稱核物理，屬于當能、核技術(shù)應(yīng)用等有關(guān)物理問題的學(xué)科，簡稱核物理，屬于當代物理學(xué)的前沿。代物理學(xué)的前沿。粒子物理粒子物理 ( (高能物理高能物理) )是研究場和粒子的性質(zhì)、運動、相互是研究場和粒子的性質(zhì)、運動、相互作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，也是研究粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，也是研究粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)科，是當代物理學(xué)發(fā)展的前沿?？疲钱敶锢韺W(xué)發(fā)展的前沿。原子核物理學(xué)及粒子物理的工作原子核物理學(xué)及粒子物理的工作1.1.實驗研究實驗研究: :主

3、要是通過高能粒子的相互碰撞，用實驗手段發(fā)主要是通過高能粒子的相互碰撞，用實驗手段發(fā) 現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300300多種。多種。 采用的試驗設(shè)備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數(shù)采用的試驗設(shè)備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。據(jù)處理系統(tǒng)。2.2.理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是量子場論，是解釋微觀現(xiàn)象的基本理論。是量子場論，是解釋微觀現(xiàn)象的基本理論。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院3一一 人工核反應(yīng)的實現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)人工核反應(yīng)的實現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 1914年盧瑟福的學(xué)生馬斯登在觀察年盧瑟福的學(xué)生馬斯登在觀察粒子在空氣中的射程時粒子在空氣中的射程時

4、注意到，注意到，粒子在空氣中的射程一般只有粒子在空氣中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的厘米，但有的粒子的射程竟達射程竟達40厘米。經(jīng)反復(fù)驗證和思考，盧瑟福認為，這是空氣厘米。經(jīng)反復(fù)驗證和思考，盧瑟福認為，這是空氣中的氫離子受到中的氫離子受到粒子的撞擊所致。因為粒子的撞擊所致。因為粒子的質(zhì)量是氫離子粒子的質(zhì)量是氫離子質(zhì)量的質(zhì)量的4倍，因此氫離子被撞擊后速度要大許多。倍，因此氫離子被撞擊后速度要大許多。 在上述現(xiàn)象啟發(fā)下，從在上述現(xiàn)象啟發(fā)下，從1917年開始，盧瑟福進行了年開始，盧瑟福進行了粒子轟粒子轟擊氮原子核的實驗。裝置如右圖。擊氮原子核的實驗。裝置如右圖。A為為射線源，可前后移動，射線源，

5、可前后移動，利用顯微鏡利用顯微鏡M觀察透過窗口觀察透過窗口F在熒光屏在熒光屏S上的閃爍。上的閃爍。當從閥當從閥T充入氮氣，放射源充入氮氣，放射源A距觀察屏距觀察屏S的距離超過的距離超過粒子的粒子的射程很多時，屏上仍有閃爍，射程很多時，屏上仍有閃爍，射程長度和氫離子的差不多；射程長度和氫離子的差不多；當充入氧氣時卻沒有這種現(xiàn)象。當充入氧氣時卻沒有這種現(xiàn)象。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院4盧瑟福經(jīng)過反復(fù)實驗，終于判定是氮原子在盧瑟福經(jīng)過反復(fù)實驗，終于判定是氮原子在粒子的轟擊下發(fā)粒子的轟擊下發(fā)生了核嬗變：從氮核中釋放出了氫核（質(zhì)子）。生了核嬗變：從氮核中釋放出了氫核（質(zhì)子）。 19

6、19年，盧瑟福明確表達了年，盧瑟福明確表達了粒子轟擊氮核的反應(yīng)過程：粒子轟擊氮核的反應(yīng)過程： 14N7+4He217O8+1H1為了進一步了解被轟擊出的粒子的性質(zhì)，在實驗裝置里加進磁為了進一步了解被轟擊出的粒子的性質(zhì)，在實驗裝置里加進磁場和電場，根據(jù)粒子在其中的偏轉(zhuǎn)，測出它的質(zhì)量和電荷，從場和電場，根據(jù)粒子在其中的偏轉(zhuǎn)，測出它的質(zhì)量和電荷，從而確定了該離子就是氫原子核而確定了該離子就是氫原子核-質(zhì)子。質(zhì)子。 后來英國卡文迪什實驗室的后來英國卡文迪什實驗室的布拉凱特布拉凱特在充滿氮的云室里做在充滿氮的云室里做了了粒子轟擊氮核的實驗，并拍攝了兩萬多張云室的照片，終粒子轟擊氮核的實驗，并拍攝了兩萬多

7、張云室的照片，終于從于從40多萬條多萬條粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)有粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)有8條產(chǎn)生了分叉。從而證實條產(chǎn)生了分叉。從而證實了人工核反應(yīng)的實現(xiàn)和質(zhì)子的產(chǎn)生。了人工核反應(yīng)的實現(xiàn)和質(zhì)子的產(chǎn)生。 1921年盧瑟福和查德威克年盧瑟福和查德威克(J.Chadwick)發(fā)現(xiàn)硼、氟、鈉、鋁和磷都可以產(chǎn)生類似的發(fā)現(xiàn)硼、氟、鈉、鋁和磷都可以產(chǎn)生類似的轉(zhuǎn)變。由于各種原子核里都能打出質(zhì)子來，轉(zhuǎn)變。由于各種原子核里都能打出質(zhì)子來，可見質(zhì)子是原子核的組成部分?？梢娰|(zhì)子是原子核的組成部分。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院5二二 中子中子n的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)1.1.盧瑟福的預(yù)言：盧瑟福的預(yù)言：質(zhì)子發(fā)現(xiàn)以后，人們認為原子

8、核是由電子和質(zhì)子發(fā)現(xiàn)以后，人們認為原子核是由電子和質(zhì)子組成，即質(zhì)子質(zhì)子組成，即質(zhì)子- -電子核模型。但是這個模型存在著電子在電子核模型。但是這個模型存在著電子在核內(nèi)的存在狀態(tài)問題，并且與量子力學(xué)中多體統(tǒng)計及自旋理論核內(nèi)的存在狀態(tài)問題，并且與量子力學(xué)中多體統(tǒng)計及自旋理論相矛盾。為了解釋電子為什么能夠穩(wěn)定的存在于核內(nèi)，盧瑟福相矛盾。為了解釋電子為什么能夠穩(wěn)定的存在于核內(nèi)，盧瑟福提出，可以把質(zhì)子和電子作為一個復(fù)合體，看成是一個單獨的提出，可以把質(zhì)子和電子作為一個復(fù)合體，看成是一個單獨的中性粒子。中性粒子。 19201920年年6 6月，盧瑟福預(yù)言：原子核內(nèi)可能存在著質(zhì)量與質(zhì)月，盧瑟福預(yù)言：原子核內(nèi)可

9、能存在著質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量相同的中性粒子。子質(zhì)量相同的中性粒子。19211921年美國化學(xué)家哈金斯將它命名為年美國化學(xué)家哈金斯將它命名為“中子中子”。2.2.中子發(fā)現(xiàn)的前奏：中子發(fā)現(xiàn)的前奏：1930年德國物理學(xué)家博特年德國物理學(xué)家博特(W.G.F.Bothe)與貝克爾與貝克爾(H.Becher)用天然放射性元素用天然放射性元素Po放出的放出的粒子轟擊鈹粒子轟擊鈹 Be，發(fā)現(xiàn)從鈹放射出一種穿透能力極強的射線。且這種射線在，發(fā)現(xiàn)從鈹放射出一種穿透能力極強的射線。且這種射線在磁場和電場中都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們認為是高能量的磁場和電場中都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們認為是高能量的射線。射線。 2004-12-8山東師

10、范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院6 1932年年1月，法國物理學(xué)家約里奧月，法國物理學(xué)家約里奧-居里夫婦重復(fù)了博特和貝居里夫婦重復(fù)了博特和貝克爾的實驗，并用這種新射線轟擊石蠟，結(jié)果從石蠟中打出大克爾的實驗，并用這種新射線轟擊石蠟，結(jié)果從石蠟中打出大量質(zhì)子來。約里奧量質(zhì)子來。約里奧-居里夫婦把這種現(xiàn)象當成是一種強居里夫婦把這種現(xiàn)象當成是一種強射線造射線造成的成的“康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)”。錯失發(fā)現(xiàn)中子的良機。錯失發(fā)現(xiàn)中子的良機。3.3.查德威克的發(fā)現(xiàn)：查德威克的發(fā)現(xiàn)：查德威克當時正在卡文迪什實驗室作放射查德威克當時正在卡文迪什實驗室作放射性研究。對于性研究。對于約里奧約里奧-居里夫婦的實驗，他不贊同他們的

11、解釋。居里夫婦的實驗，他不贊同他們的解釋。他用這種射線先后照射輕重不同的幾種元素，發(fā)現(xiàn)這種射線與他用這種射線先后照射輕重不同的幾種元素，發(fā)現(xiàn)這種射線與通常的通常的射線性質(zhì)有所不同：通常射線性質(zhì)有所不同：通常射線照射到物質(zhì)上時，物質(zhì)射線照射到物質(zhì)上時，物質(zhì)密度越大，對密度越大，對射線的吸收越厲害，而這種射線剛好相反。且射線的吸收越厲害，而這種射線剛好相反。且用它轟擊氫原子核時，竟然能被彈回來。說明這種射線是具有用它轟擊氫原子核時，竟然能被彈回來。說明這種射線是具有一定質(zhì)量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定，再利用動一定質(zhì)量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定，再利用動量守恒定律進行估算，確定出

12、這種射線中性粒子的質(zhì)量幾乎和量守恒定律進行估算，確定出這種射線中性粒子的質(zhì)量幾乎和質(zhì)子相同。于是質(zhì)子相同。于是查德威克意識到這就是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的查德威克意識到這就是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的“中中子子”。于是在。于是在19321932年的年的NatureNature上發(fā)表了上發(fā)表了中子可能存在中子可能存在的論文。的論文。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院74.意義意義1 1）建立了原子核的正確模型。）建立了原子核的正確模型。2 2）引起了一些新的研究課題。）引起了一些新的研究課題。3 3）由于中子不帶電，因此就使）由于中子不帶電，因此就使人們在核物理的研究中，擁有人們在核物理的研究中，擁

13、有了一顆威力無比的炮彈，人們了一顆威力無比的炮彈，人們利用它打開了核能倉庫，昂首利用它打開了核能倉庫，昂首邁入原子能時代邁入原子能時代! ! 查德威克的成功，是他能查德威克的成功，是他能夠?qū)⒗碚擃A(yù)言與實驗現(xiàn)象密切夠?qū)⒗碚擃A(yù)言與實驗現(xiàn)象密切結(jié)合，抓住機遇的結(jié)果。結(jié)合，抓住機遇的結(jié)果。原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起查德威克像查德威克像2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院8伊倫娜伊倫娜居里和約里奧居里和約里奧居里居里原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院9三三 人工放射性的發(fā)現(xiàn)人工放射性的發(fā)現(xiàn) 1934年

14、年1月，約里奧月，約里奧-居里夫婦用居里夫婦用粒子轟擊鋁，發(fā)現(xiàn)撤走粒子轟擊鋁，發(fā)現(xiàn)撤走放射源后，還可檢測到放射性?；瘜W(xué)分析表明，他們得到了自放射源后，還可檢測到放射性。化學(xué)分析表明，他們得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷然界中并不存在的放射性同位素磷-30，即，即 27Al13+4He230P15+1n0磷磷-30經(jīng)經(jīng)衰變放出正電子衰變放出正電子, ,變成穩(wěn)定元素硅變成穩(wěn)定元素硅: :3030P P15153030SiSi1414+ +0 0e e1 1 他們又用他們又用粒子轟擊硼和鎂，得到放射性同位素氮和硅。粒子轟擊硼和鎂，得到放射性同位素氮和硅。這樣這樣約里奧約里奧-居里夫婦因人工放射

15、性的發(fā)現(xiàn)而獲得居里夫婦因人工放射性的發(fā)現(xiàn)而獲得1935年諾貝年諾貝爾化學(xué)獎。也為核物理的研究及原子能利用開辟了道路。爾化學(xué)獎。也為核物理的研究及原子能利用開辟了道路。 后來人們發(fā)現(xiàn)，用后來人們發(fā)現(xiàn)，用粒子轟擊輕元素能夠得到放射性同位粒子轟擊輕元素能夠得到放射性同位素，但用素，但用粒子轟擊重元素，則很難產(chǎn)生。費米考慮了這一問粒子轟擊重元素，則很難產(chǎn)生。費米考慮了這一問題，認為，重元素原子核所帶正電荷較大，與題，認為，重元素原子核所帶正電荷較大，與粒子的庫侖斥粒子的庫侖斥力很難讓力很難讓粒子產(chǎn)生轟擊效果。所以他選用中子作實驗，盡管粒子產(chǎn)生轟擊效果。所以他選用中子作實驗，盡管中子的產(chǎn)額很少（核反應(yīng)放

16、出的中子一般少于中子的產(chǎn)額很少（核反應(yīng)放出的中子一般少于10-4），但由于），但由于它不必克服庫侖勢壘，所以與原子核撞擊的機會比它不必克服庫侖勢壘，所以與原子核撞擊的機會比粒子或質(zhì)粒子或質(zhì)子大得多。子大得多。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院10四四 慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)1.1.慢中子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：慢中子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：19341934年年1010月，費米小組的阿瑪爾迪等人月，費米小組的阿瑪爾迪等人把一裝在鉛盒內(nèi)的中子源放置在一個銀制的圓筒里，對銀進行把一裝在鉛盒內(nèi)的中子源放置在一個銀制的圓筒里，對銀進行輻射，他們發(fā)現(xiàn)銀的放射性隨中子源的位置而變化，由于鉛是

17、輻射，他們發(fā)現(xiàn)銀的放射性隨中子源的位置而變化，由于鉛是重金屬，費米建議他們用輕元素材料，如石蠟，于是他們把大重金屬，費米建議他們用輕元素材料，如石蠟，于是他們把大塊石蠟挖了個洞，將中子源放入，然后輻照銀圓筒，結(jié)果銀的塊石蠟挖了個洞，將中子源放入，然后輻照銀圓筒，結(jié)果銀的放射性增加了放射性增加了100100倍。再放到水下做實驗，證實水也有類似作倍。再放到水下做實驗，證實水也有類似作用。費米經(jīng)過分析，認為：由于石蠟中大量的氫核（質(zhì)子）與用。費米經(jīng)過分析，認為：由于石蠟中大量的氫核（質(zhì)子）與中子質(zhì)量相近，中子碰撞后速度大大減慢，成為慢中子。慢中中子質(zhì)量相近，中子碰撞后速度大大減慢，成為慢中子。慢中子

18、經(jīng)過銀原子核的時間變長了，因此增加了中子被俘獲的機會。子經(jīng)過銀原子核的時間變長了，因此增加了中子被俘獲的機會。因為慢中子大大增強了轟擊的效果，所以慢中子及其作用的發(fā)因為慢中子大大增強了轟擊的效果，所以慢中子及其作用的發(fā)現(xiàn)為重核裂變的發(fā)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。因此，人們將慢中子及其效現(xiàn)為重核裂變的發(fā)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。因此，人們將慢中子及其效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)看作是應(yīng)的發(fā)現(xiàn)看作是“核時代的起點核時代的起點”。費米簡介：費米簡介：美籍意大利物理學(xué)家，美籍意大利物理學(xué)家，19011901年年9 9月月2929日出生于意大日出生于意大利羅馬。利羅馬。1717歲時進入比薩大學(xué)，畢業(yè)時，他以歲時進入比薩大學(xué)，畢業(yè)時，他以X X射線

19、的專題論射線的專題論文獲得博士學(xué)位。文獲得博士學(xué)位。之后赴德國格丁根大學(xué)，拜玻恩為師，之后赴德國格丁根大學(xué)，拜玻恩為師，192419242004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院11 1934年，用中子轟擊了年，用中子轟擊了63種元素，種元素，得到了得到了37種放射性同位素。在實驗種放射性同位素。在實驗中，發(fā)現(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)了慢中子及其效應(yīng)。了慢中子及其效應(yīng)。在用在用慢中子轟擊原子核的反應(yīng)中，他又慢中子轟擊原子核的反應(yīng)中，他又發(fā)現(xiàn)可生成新的元素。費米因利用發(fā)現(xiàn)可生成新的元素。費米因利用慢中子轟擊原子核引起有關(guān)核反應(yīng)慢中子轟擊原子核引起有關(guān)核反應(yīng)和利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新的放射性元和利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新

20、的放射性元素，獲得了素，獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。由于受法西斯迫害，借領(lǐng)諾貝爾獎由于受法西斯迫害，借領(lǐng)諾貝爾獎之機，攜家移居美國，在哥倫比亞之機，攜家移居美國，在哥倫比亞大學(xué)任教。大學(xué)任教。 在獲獎之后，費米與一些科學(xué)在獲獎之后，費米與一些科學(xué)家們在核裂變的鏈式反應(yīng)研究中，家們在核裂變的鏈式反應(yīng)研究中，同時預(yù)見到制造原子武器的危險。同時預(yù)見到制造原子武器的危險。年回意大利年回意大利佛羅倫薩大學(xué)佛羅倫薩大學(xué)任教任教，并因并因在理論物理學(xué)方面的貢獻在理論物理學(xué)方面的貢獻引起世界范圍的注意。引起世界范圍的注意。1926年，年，任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授，任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授

21、，1927年提出費米年提出費米-狄拉克統(tǒng)計理論，狄拉克統(tǒng)計理論，1933年提出年提出衰變理論。衰變理論。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院12當時德國的核裂變也已實驗成功，他們非常擔心德國首先用以當時德國的核裂變也已實驗成功，他們非常擔心德國首先用以制造原子彈，而美國的政界、軍界卻反應(yīng)遲鈍。于是，費米、制造原子彈，而美國的政界、軍界卻反應(yīng)遲鈍。于是，費米、西拉德等科學(xué)家于西拉德等科學(xué)家于1939年年8月一起找到了愛因斯坦，要求借助月一起找到了愛因斯坦，要求借助他的威望上書美國總統(tǒng)羅斯福，提醒政府要切實注意德國的動他的威望上書美國總統(tǒng)羅斯福，提醒政府要切實注意德國的動向和已出現(xiàn)的危

22、險，建議盡一切力量要趕在德國納粹分子之前向和已出現(xiàn)的危險，建議盡一切力量要趕在德國納粹分子之前造出原子彈，以消滅法西斯。上書信于造出原子彈，以消滅法西斯。上書信于10月月11日轉(zhuǎn)到羅斯福手日轉(zhuǎn)到羅斯福手中，他立即下令成立鈾礦顧問委員會，并撥了研究經(jīng)費，中，他立即下令成立鈾礦顧問委員會，并撥了研究經(jīng)費，1941年年12月月6日，日本偷襲珍珠港的前一天批準了制造原子彈的龐日，日本偷襲珍珠港的前一天批準了制造原子彈的龐大工程計劃。為保密而取名大工程計劃。為保密而取名“曼哈頓計劃曼哈頓計劃”。 1942年年12月月2日，以費米為首的一批美國科學(xué)家建造了第日，以費米為首的一批美國科學(xué)家建造了第一座原子反

23、應(yīng)堆，人們利用原子能的時代從此開始。一座原子反應(yīng)堆，人們利用原子能的時代從此開始。 1954年年11月月28日費米因胃癌逝世于美國的芝加哥，年僅日費米因胃癌逝世于美國的芝加哥，年僅53歲。為紀念他，第歲。為紀念他，第100號元素以他的名字命名為鐨。號元素以他的名字命名為鐨。 2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院132.2.核裂變的發(fā)現(xiàn)：核裂變的發(fā)現(xiàn)： 19341934年，當年，當費米小組費米小組用中子轟擊鈾用中子轟擊鈾2382389292U U時，得到了半衰期時，得到了半衰期為為1313分鐘的一種放射性產(chǎn)物。經(jīng)分析它不屬于鉛分鐘的一種放射性產(chǎn)物。經(jīng)分析它不屬于鉛- -鈾之間的重鈾之

24、間的重元素。元素。19341934年年5 5月費米在月費米在NatureNature上發(fā)表了一篇短文上發(fā)表了一篇短文原子原子序數(shù)高于序數(shù)高于9292的元素可能生成的元素可能生成，報道了可能是一種，報道了可能是一種“超鈾超鈾”元元素素9393。在隨后的。在隨后的4-54-5年里，人們又陸續(xù)年里，人們又陸續(xù)“發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)”了超鈾元素了超鈾元素9494、9595、9696和和9797號號“超鈾超鈾”新元素。其實，這就是最早出現(xiàn)的重核新元素。其實，這就是最早出現(xiàn)的重核裂變現(xiàn)象。裂變現(xiàn)象。 在在“超鈾超鈾”元素的的研究中，德國和法國的科學(xué)家按照已元素的的研究中，德國和法國的科學(xué)家按照已知核反應(yīng)規(guī)律，認為：當

25、中子轟擊原子核時，原子序數(shù)將增知核反應(yīng)規(guī)律，認為：當中子轟擊原子核時，原子序數(shù)將增1 1，產(chǎn)生一新元素。但德國女化學(xué)家產(chǎn)生一新元素。但德國女化學(xué)家諾達克夫人諾達克夫人(T.Noddack)(T.Noddack)卻提卻提出不同看法，她認為：出不同看法，她認為：“當重核被中子轟擊時，該核可能分裂當重核被中子轟擊時，該核可能分裂成幾大塊。這些裂片無疑將是已知元素的同位素，而不是被輻成幾大塊。這些裂片無疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰照元素的近鄰”。但這一觀點沒有引起費米等人的注意，甚至。但這一觀點沒有引起費米等人的注意，甚至當時的放射性權(quán)威哈恩認為諾達克夫人的觀點當時的放射性權(quán)威哈恩認

26、為諾達克夫人的觀點“純粹是謬論純粹是謬論”。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院14 1938 1938年，年，伊倫伊倫- -居里和南斯拉夫的沙維奇居里和南斯拉夫的沙維奇(P.Savitch)(P.Savitch)進行進行了有關(guān)了有關(guān)“超鈾超鈾”元素的分離和分析實驗。他們用中子轟擊鈾，元素的分離和分析實驗。他們用中子轟擊鈾，產(chǎn)生了半衰期為產(chǎn)生了半衰期為3.53.5小時的放射性元素，其性質(zhì)接近鑭（鑭原小時的放射性元素，其性質(zhì)接近鑭（鑭原子序數(shù)為子序數(shù)為5757，后證實是鑭，后證實是鑭-141-141），于同年），于同年5 5月將實驗結(jié)果發(fā)表月將實驗結(jié)果發(fā)表在在科學(xué)院通訊科學(xué)院通訊上。

27、由于產(chǎn)生的放射性元素同鈾和上。由于產(chǎn)生的放射性元素同鈾和“超鈾超鈾”元素的差別太大，又沒有意識到重核的分裂，于是放棄了實驗。元素的差別太大，又沒有意識到重核的分裂，于是放棄了實驗。 當時德國化學(xué)家當時德國化學(xué)家哈恩哈恩及猶太血統(tǒng)的奧地利女化學(xué)家及猶太血統(tǒng)的奧地利女化學(xué)家邁特納邁特納(L.Meitner)(L.Meitner)也正在從事放射性研究?？吹揭羵愐舱趶氖路派湫匝芯??？吹揭羵? -居里的文章后居里的文章后認為他們一定是搞錯了，于是立即重復(fù)了居里的實驗，結(jié)果證認為他們一定是搞錯了，于是立即重復(fù)了居里的實驗，結(jié)果證實了伊倫實了伊倫- -居里和沙維奇的結(jié)果。亦即肯定在中子轟擊重核時居里和沙維

28、奇的結(jié)果。亦即肯定在中子轟擊重核時確有中間元素（鑭和鋇）產(chǎn)生。確有中間元素（鑭和鋇）產(chǎn)生。19391939年年1 1月，德國月，德國自然科學(xué)自然科學(xué)雜志上發(fā)表了哈恩和斯特拉斯曼的實驗結(jié)果。雜志上發(fā)表了哈恩和斯特拉斯曼的實驗結(jié)果。 哈恩寫信將結(jié)果告訴為了避難正在斯德格爾摩諾貝爾研究哈恩寫信將結(jié)果告訴為了避難正在斯德格爾摩諾貝爾研究所工作的邁特納。邁特納和她的侄子所工作的邁特納。邁特納和她的侄子弗里胥弗里胥(O.Frisch(O.Frisch，19341934年流年流亡國外，在玻爾理論物理研究所工作亡國外，在玻爾理論物理研究所工作) )對哈恩的結(jié)果進行了討論。弗對哈恩的結(jié)果進行了討論。弗里胥在玻爾

29、里胥在玻爾“液滴核模型液滴核模型”的啟發(fā)下，想到：如果的啟發(fā)下，想到：如果核被中子擊核被中子擊中中2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院15也許會以巨大的能量分裂。幾天后，弗里胥回到哥本哈根，將也許會以巨大的能量分裂。幾天后，弗里胥回到哥本哈根，將自己的想法告訴了自己的想法告訴了玻爾玻爾。玻爾聽了十分高興，驚呼：。玻爾聽了十分高興，驚呼：“正應(yīng)該正應(yīng)該如此如此”。于是弗里胥和邁特納隨即聯(lián)名寫文章，論證重核分裂。于是弗里胥和邁特納隨即聯(lián)名寫文章，論證重核分裂的產(chǎn)生。重核裂變的現(xiàn)象終于真相大白。的產(chǎn)生。重核裂變的現(xiàn)象終于真相大白?！傲炎兞炎?fission)”一詞一詞也由此產(chǎn)生。也由此產(chǎn)

30、生。3.3.鏈式反應(yīng)：鏈式反應(yīng)：重核裂變一經(jīng)證實，人們立即轉(zhuǎn)向由此可能釋重核裂變一經(jīng)證實，人們立即轉(zhuǎn)向由此可能釋放的核能。許多實驗證實了理論預(yù)期的能量，但是要利用這一放的核能。許多實驗證實了理論預(yù)期的能量，但是要利用這一巨大能量，必要條件是有可能產(chǎn)生自持的鏈式反應(yīng)。巨大能量，必要條件是有可能產(chǎn)生自持的鏈式反應(yīng)。 約里奧和他的同事們首先提出了約里奧和他的同事們首先提出了“中子過剩中子過?！眴栴}：輕核問題：輕核中子和質(zhì)子數(shù)近于相等，中等核中子數(shù)略多，重核中子數(shù)比質(zhì)中子和質(zhì)子數(shù)近于相等，中等核中子數(shù)略多，重核中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)大的多。因此重核分裂成兩個較輕核時，必然出現(xiàn)中子過子數(shù)大的多。因此重核分裂成兩

31、個較輕核時，必然出現(xiàn)中子過剩。如果過剩的中子又去轟擊重核，連鎖反應(yīng)即可發(fā)生。剩。如果過剩的中子又去轟擊重核，連鎖反應(yīng)即可發(fā)生。 費米小組證明鈾核每次裂變平均可產(chǎn)生費米小組證明鈾核每次裂變平均可產(chǎn)生2 2個中子。他們選擇個中子。他們選擇鈾鈾235235核石墨做實驗。并在軍方的支持下開始了核石墨做實驗。并在軍方的支持下開始了曼哈頓工程。曼哈頓工程。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院16第一座原子反應(yīng)堆第一座原子反應(yīng)堆 1941年年12月開始，費米選擇了芝加哥大學(xué)的一座運動場的月開始，費米選擇了芝加哥大學(xué)的一座運動場的看臺下做為實驗區(qū)，開始了核反應(yīng)實驗。但有兩個問題需要解看臺下做為實驗

32、區(qū)，開始了核反應(yīng)實驗。但有兩個問題需要解決，一是把中子減速為慢中子，以提高核裂變的效率；重水是決，一是把中子減速為慢中子，以提高核裂變的效率；重水是很好的中子減速劑，但成本太高，普通水對中子減速太快，且很好的中子減速劑，但成本太高，普通水對中子減速太快，且有很強的吸收；最后選擇石墨作為中子減速劑。二是嚴格控制有很強的吸收；最后選擇石墨作為中子減速劑。二是嚴格控制核裂變的反應(yīng)速度。最后選擇了鎘來吸收中子，以控制核裂變核裂變的反應(yīng)速度。最后選擇了鎘來吸收中子，以控制核裂變速度。設(shè)計方案為將反應(yīng)堆作成立方點陣形式，鈾層和石墨層速度。設(shè)計方案為將反應(yīng)堆作成立方點陣形式，鈾層和石墨層間隔的布置在方陣中。

33、間隔的布置在方陣中。 1942年年12月月1日反應(yīng)堆砌好，并達到臨界狀態(tài)。次日抽出日反應(yīng)堆砌好，并達到臨界狀態(tài)。次日抽出控制用的鎘棒，自持的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生了，得到的功率為控制用的鎘棒，自持的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生了，得到的功率為0.5瓦。瓦。人類第一次實現(xiàn)了原子能的可控釋放。人類第一次實現(xiàn)了原子能的可控釋放。為了保密，他們用暗語為了保密，他們用暗語向美國國家保衛(wèi)研究委員會主席通話說向美國國家保衛(wèi)研究委員會主席通話說:“意大利航海家登上了意大利航海家登上了新大陸新大陸” 。從此開始了原子能利用的新紀元。從此開始了原子能利用的新紀元。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院17原原 子子 核核 物物

34、理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起原子彈原子彈 原子彈利用的是沒有催化劑且不加以控制的原子核裂變鏈原子彈利用的是沒有催化劑且不加以控制的原子核裂變鏈式反應(yīng)。美國動用了大量人力、物力，集結(jié)了世界大量的科學(xué)式反應(yīng)。美國動用了大量人力、物力，集結(jié)了世界大量的科學(xué)人才。人才。 19451945年年7 7月月1616日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一顆原子日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一顆原子彈。爆炸產(chǎn)生了上千萬度的高溫，幾百萬個大氣壓，放置原子彈。爆炸產(chǎn)生了上千萬度的高溫，幾百萬個大氣壓，放置原子彈的鋼塔頓時化成了氣體。彈的鋼塔頓時化成了氣體。被炸后的廣島被炸后的廣島 杜魯門政府決定用原子彈杜魯門政府決定用原

35、子彈征服死不投降的日本。征服死不投降的日本。 19451945年年8 8月月6 6日第一枚原子日第一枚原子彈投在廣島，彈投在廣島，8 8月月9 9日又在長崎日又在長崎投了第二顆，廣島死投了第二顆，廣島死78,15078,150人人，長崎死，長崎死23,70023,700人。人。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院18原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起氫彈氫彈 前蘇聯(lián)于前蘇聯(lián)于19491949年年2 2月月2222日，爆炸了第一顆原子彈。日，爆炸了第一顆原子彈。英國于英國于19521952年年1010月月3 3日、法國于日、法國于19601960年年2 2月月131

36、3日、中國日、中國于于19641964年年1010月月1616日，分別爆炸了第一顆原子彈。日，分別爆炸了第一顆原子彈。氫彈氫彈 繼原子彈后，又制造繼原子彈后，又制造了威懾能力更大的氫彈。了威懾能力更大的氫彈。我國政府提出了不首先使我國政府提出了不首先使用核武器倡議，并在用核武器倡議，并在19961996年宣布停止核試驗。全世年宣布停止核試驗。全世界現(xiàn)已擁有核彈頭界現(xiàn)已擁有核彈頭5 5萬多萬多個，相當于廣島原子彈的個，相當于廣島原子彈的100100萬倍。萬倍。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院194.核能的應(yīng)用核能的應(yīng)用1)原子能發(fā)電站原子能發(fā)電站 1954年年6月月27日，前蘇聯(lián)

37、在莫斯科附近首先建成，現(xiàn)已日，前蘇聯(lián)在莫斯科附近首先建成，現(xiàn)已有有40多個國家擁有多個國家擁有400多座核電站。核電站雖然一次性投資多座核電站。核電站雖然一次性投資較大，但以后核電的成本低，比火電成本低較大，但以后核電的成本低，比火電成本低30%左右，核電左右，核電站還具有由運行安全，環(huán)境污染小等優(yōu)點，所以已經(jīng)在美、站還具有由運行安全，環(huán)境污染小等優(yōu)點，所以已經(jīng)在美、法、日、德、俄等國廣泛采用。法、日、德、俄等國廣泛采用。2)2)用于農(nóng)業(yè)用于農(nóng)業(yè) 螺旋蟲曾在美國南部和墨西哥肆虐，能在家畜中產(chǎn)卵，螺旋蟲曾在美國南部和墨西哥肆虐，能在家畜中產(chǎn)卵，害死家畜。繁殖極快。美國以毒攻毒，將螺旋蟲用核輻射處

38、害死家畜。繁殖極快。美國以毒攻毒，將螺旋蟲用核輻射處理，使之無生育能力，但能交配，理，使之無生育能力，但能交配，18個月內(nèi)，每星期播放個月內(nèi)，每星期播放5千萬只這樣的蟲子，整個地區(qū)螺旋蟲被消滅。千萬只這樣的蟲子，整個地區(qū)螺旋蟲被消滅。原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院20原原 子子 核核 物物 理理 學(xué)學(xué) 的的 興興 起起5.核物理的發(fā)展核物理的發(fā)展 一方面表現(xiàn)為向一方面表現(xiàn)為向凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物理、天體物理天體物理和和核核技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，另一方面為核物理自身的發(fā)展，對發(fā)展，另一方面為核物理自身的發(fā)展，對核的研究，已從低激

39、發(fā)態(tài)到研究高激發(fā)態(tài)和高自旋核的研究，已從低激發(fā)態(tài)到研究高激發(fā)態(tài)和高自旋態(tài)，核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用仍舊有著廣闊的前景。態(tài)，核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用仍舊有著廣闊的前景。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院212004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院22五五 正電子的發(fā)現(xiàn)正電子的發(fā)現(xiàn) 安德遜安德遜(C.D.Anderson)：美國加州理工學(xué)院密立根教授的學(xué)：美國加州理工學(xué)院密立根教授的學(xué)生，生，1930年起負責用云室觀測宇宙射線。云室置于磁場中。為年起負責用云室觀測宇宙射線。云室置于磁場中。為了鑒別宇宙射線的性質(zhì)，在云室中安有幾塊金屬板，粒子穿過了鑒別宇宙射線的性質(zhì)，在云室中安有幾塊金

40、屬板，粒子穿過金屬板，就可區(qū)別其能量。金屬板，就可區(qū)別其能量。1932年年8月月2日，安德遜在照片中發(fā)日，安德遜在照片中發(fā)現(xiàn)一條奇特的徑跡，與電子的徑跡相似，卻又具相反的方向，現(xiàn)一條奇特的徑跡，與電子的徑跡相似，卻又具相反的方向，顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質(zhì)子。顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質(zhì)子。于是他果斷得出結(jié)論：這是帶正電的于是他果斷得出結(jié)論：這是帶正電的 電子。安德遜因此獲得電子。安德遜因此獲得1936年的餓諾貝爾物理學(xué)獎。當時他并不了解狄拉克的電子理年的餓諾貝爾物理學(xué)獎。當時他并不了解狄拉克的電子理論，也不知道狄拉克預(yù)言過正電子的存在。論，也不知

41、道狄拉克預(yù)言過正電子的存在。 1928年，狄拉克從相對論和量子力學(xué)的一般原理出發(fā)，建年，狄拉克從相對論和量子力學(xué)的一般原理出發(fā)，建立了相對論電子波動方程立了相對論電子波動方程-狄拉克方程。但狄拉克方程有四個狄拉克方程。但狄拉克方程有四個解，其中兩個正解分別對應(yīng)正能態(tài)的電子的兩個自旋態(tài)。狄拉解，其中兩個正解分別對應(yīng)正能態(tài)的電子的兩個自旋態(tài)。狄拉克預(yù)言，另兩個解應(yīng)對應(yīng)于電子負能態(tài)的克預(yù)言，另兩個解應(yīng)對應(yīng)于電子負能態(tài)的“空穴空穴”-即反電即反電子。子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院23六六 中微子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)1.1.中微子概念的提出：中微子概念的提出：中微子概念的提出，與原子

42、核的中微子概念的提出，與原子核的衰變衰變有直接聯(lián)系。有直接聯(lián)系。19141914年查德威克證明年查德威克證明射線和射線和射線德能譜是分射線德能譜是分立的，在衰變中發(fā)射德粒子所帶走德能量正好與原子核初態(tài)末立的，在衰變中發(fā)射德粒子所帶走德能量正好與原子核初態(tài)末態(tài)的能量差相等。然而，態(tài)的能量差相等。然而，射線的能譜是連續(xù)的。也就是說，射線的能譜是連續(xù)的。也就是說，衰變發(fā)射出來的電子能量從零到最大值都有分布。有些電子衰變發(fā)射出來的電子能量從零到最大值都有分布。有些電子的能量竟會小于初態(tài)與終態(tài)的能量差。那部分能量哪去了？的能量竟會小于初態(tài)與終態(tài)的能量差。那部分能量哪去了？ 19301930年泡利提出：年

43、泡利提出：“只有假定在只有假定在衰變過程中，伴隨每一衰變過程中，伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子（稱之為中子）一起被發(fā)射出來，個電子有一個輕的中性粒子（稱之為中子）一起被發(fā)射出來，使中子和電子的能量之和為常數(shù)，才能解釋連續(xù)使中子和電子的能量之和為常數(shù)，才能解釋連續(xù)譜。譜?！边@里這里泡利指的中子即是中微子。泡利指的中子即是中微子。 費米接受了泡利的假說，并于費米接受了泡利的假說，并于19341934年提出弱相互作用的年提出弱相互作用的衰變理論。費米認為，正象光子在原子或原子核從一個激發(fā)態(tài)衰變理論。費米認為，正象光子在原子或原子核從一個激發(fā)態(tài)躍遷到另一個激發(fā)態(tài)時產(chǎn)生的那樣，電子和中微子是在躍遷到另

44、一個激發(fā)態(tài)時產(chǎn)生的那樣，電子和中微子是在衰變衰變中產(chǎn)生的。中產(chǎn)生的。- -衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個中子變?yōu)橐粋€質(zhì)子；衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個中子變?yōu)橐粋€質(zhì)子；2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院24+ +衰變是一個質(zhì)子變?yōu)橐粋€中子。質(zhì)子和中子可以看作是一衰變是一個質(zhì)子變?yōu)橐粋€中子。質(zhì)子和中子可以看作是一個核子的兩個不同狀態(tài)，因此質(zhì)子和中子之間的轉(zhuǎn)變，就相當個核子的兩個不同狀態(tài)，因此質(zhì)子和中子之間的轉(zhuǎn)變，就相當于一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)，在躍遷過程中同時放出電于一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)，在躍遷過程中同時放出電子和中微子。他們事先并不存在于核內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)生光子的是電子和中微子。他們事先并

45、不存在于核內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)生光子的是電磁相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的是一種新的相互作用磁相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的是一種新的相互作用弱相互作用。弱相互作用。 + +衰變就是衰變就是約里奧約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)的發(fā)射正電子的人工放居里夫婦發(fā)現(xiàn)的發(fā)射正電子的人工放射性。射性。 同年，維克同年，維克(G.C.Wick)(G.C.Wick)指出，在費米理論的相互作用里，指出，在費米理論的相互作用里，允許原子核里發(fā)生如下過程：允許原子核里發(fā)生如下過程：PPn n+ +e e+ + +e e ；他還預(yù)言可能會；他還預(yù)言可能會有軌道電子的俘獲過程，這個過程于有軌道電子的俘獲過程，這個過程于19381938

46、年被阿爾瓦雷茲年被阿爾瓦雷茲(L.W.Alvarez)(L.W.Alvarez)觀察到。觀察到。2.2.中微子的間接驗證：中微子的間接驗證：中微子不帶電，只參與弱相互作用，且中微子不帶電，只參與弱相互作用，且穿透能力極強，幾乎可以不受任何阻礙的穿過地球，所以中微穿透能力極強，幾乎可以不受任何阻礙的穿過地球，所以中微子的探測十分困難。子的探測十分困難。19411941年，我國物理學(xué)家王金昌首先提出了年，我國物理學(xué)家王金昌首先提出了一個間接探測中微子的方法。一個間接探測中微子的方法。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院25他指出：他指出：“當一個當一個+ +放射性原子不是放射一個正電子

47、，而是放射性原子不是放射一個正電子，而是俘獲一個層電子時，反應(yīng)后的原子的反沖能量和動量僅僅取俘獲一個層電子時，反應(yīng)后的原子的反沖能量和動量僅僅取決于所放出的中微子。原子核外電子的效應(yīng)可以忽略不計。因決于所放出的中微子。原子核外電子的效應(yīng)可以忽略不計。因此，只要測量反應(yīng)后原子的反沖能量和動量，就很容易求得放此，只要測量反應(yīng)后原子的反沖能量和動量，就很容易求得放射出的中微子的質(zhì)量和能量。而且由于沒有連續(xù)的射出的中微子的質(zhì)量和能量。而且由于沒有連續(xù)的射線被放射線被放射出來，這種反沖效應(yīng)對所有的原子都是相同的。射出來，這種反沖效應(yīng)對所有的原子都是相同的。”19421942年，美國物理學(xué)家艾倫年，美國物

48、理學(xué)家艾倫(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案進行按上述方案進行了測量，取得了肯定的結(jié)果，但未完全成功。了測量，取得了肯定的結(jié)果，但未完全成功。19521952年又重新進年又重新進行了實驗，測出了原子的反沖能。帶維斯行了實驗，測出了原子的反沖能。帶維斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地也成功地重復(fù)了艾倫重復(fù)了艾倫19421942年的實驗。年的實驗。 這樣，通過間接的實驗證實了中微子的存在。這樣，通過間接的實驗證實了中微子的存在。3.3.中微子的直接檢測：中微子的直接檢測：在核反應(yīng)中，中微子的發(fā)射數(shù)量級極大，在核反應(yīng)中，中微子的發(fā)射數(shù)量級極大，通過對核裂變產(chǎn)物的探測，

49、有可能確證中微子的存在。通過對核裂變產(chǎn)物的探測，有可能確證中微子的存在。19561956年，年，洛斯洛斯阿拉莫斯實驗室的美國物理學(xué)家柯恩阿拉莫斯實驗室的美國物理學(xué)家柯恩(C.Cowan)(C.Cowan)核萊因斯核萊因斯(F.Reines)(F.Reines)首先在核反應(yīng)堆中檢測到。首先在核反應(yīng)堆中檢測到。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院26他們設(shè)計了一個規(guī)模巨大的實驗方案，他們研究他們設(shè)計了一個規(guī)模巨大的實驗方案，他們研究下面反應(yīng)過程下面反應(yīng)過程通過探測出反應(yīng)產(chǎn)物：正電子通過探測出反應(yīng)產(chǎn)物：正電子e e+ +和中子和中子n n ，并測出確切的反中，并測出確切的反中微子與質(zhì)子微

50、子與質(zhì)子p p的反應(yīng)截面，就可以證明反中微子的存在。通過艱的反應(yīng)截面，就可以證明反中微子的存在。通過艱苦的工作，他們終于在苦的工作，他們終于在19561956年宣布實驗結(jié)果與理論預(yù)期相符。年宣布實驗結(jié)果與理論預(yù)期相符。4.4.中微子的研究進展：中微子的研究進展：19621962年，美國的施瓦茨年，美國的施瓦茨(M.Schwartz)(M.Schwartz)等等人通過加速器進行實驗，又證實了兩種不同的中微子人通過加速器進行實驗，又證實了兩種不同的中微子e e；7070年代中期，美國的佩爾年代中期，美國的佩爾(M.L.Perl)(M.L.Perl)小組在小組在APEARAPEAR的正負電子對的正負

51、電子對撞機中又發(fā)現(xiàn)了另外兩種中微子撞機中又發(fā)現(xiàn)了另外兩種中微子和反和反。至此，中微子。至此，中微子就有了六個且只有六個：就有了六個且只有六個： 。nep、ee5.5.中微子的質(zhì)量：中微子的質(zhì)量：對中微子的質(zhì)量是否為零，一直存在質(zhì)疑，對中微子的質(zhì)量是否為零，一直存在質(zhì)疑，原因有兩個方面：若中微子的質(zhì)量不為零，存在中微子振蕩，原因有兩個方面：若中微子的質(zhì)量不為零，存在中微子振蕩，則太陽中微子失蹤之謎就揭開了；有關(guān)暗物質(zhì)問題。天體當則太陽中微子失蹤之謎就揭開了；有關(guān)暗物質(zhì)問題。天體當中有些物質(zhì)看不見，但存在，稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是什么中有些物質(zhì)看不見，但存在，稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是什么? ?2004-1

52、2-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院27可能是黑洞、死星、宇宙塵埃或某種氣體等，已經(jīng)知道暗物質(zhì)可能是黑洞、死星、宇宙塵?；蚰撤N氣體等，已經(jīng)知道暗物質(zhì)不是由重子組成，若中微子質(zhì)量不為零，則可能中微子是其組不是由重子組成，若中微子質(zhì)量不為零，則可能中微子是其組成之一。到目前為止，中微子質(zhì)量的測量仍在繼續(xù)中，但實驗成之一。到目前為止，中微子質(zhì)量的測量仍在繼續(xù)中，但實驗檢測只能減小中微子質(zhì)量的上限，如目前已經(jīng)測量到：檢測只能減小中微子質(zhì)量的上限，如目前已經(jīng)測量到：MeVmMeVmeVmv84,25. 0,102004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院28七七 介子理論的建立介子理論的建立 在原子

53、核性質(zhì)的研究過程中，人們逐漸明確了核力與核子在原子核性質(zhì)的研究過程中，人們逐漸明確了核力與核子是否帶電無關(guān)，核子之間的相互作用是一種短程力，其作用范是否帶電無關(guān)，核子之間的相互作用是一種短程力，其作用范圍約為圍約為10-13厘米。這種力遠比電荷間的電磁相互作用強大，因厘米。這種力遠比電荷間的電磁相互作用強大，因此不能簡單的歸結(jié)為電磁相互作用，而是一種強相互作用。此不能簡單的歸結(jié)為電磁相互作用，而是一種強相互作用。1.湯川的預(yù)言：湯川的預(yù)言：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(H.Yukawa)提出介子理論，用于解釋強相互作用。他認為，核子之間是通提出介子理論，用于解釋強相

54、互作用。他認為，核子之間是通過交換一種可稱為介子過交換一種可稱為介子(meson)的粒子發(fā)生相互作用。并根據(jù)的粒子發(fā)生相互作用。并根據(jù)核力的作用范圍，估算出介子的靜止質(zhì)量約為電子的二百多倍。核力的作用范圍，估算出介子的靜止質(zhì)量約為電子的二百多倍。1949年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。2.介介子的發(fā)現(xiàn)：子的發(fā)現(xiàn)：19371937年安德森核尼德邁耶年安德森核尼德邁耶(S.H.Neddemeyer)(S.H.Neddemeyer)在宇宙射線的研究中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為電子的在宇宙射線的研究中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為電子的207207倍的新粒子，倍的新粒子，稱為稱為介子。但由于介子。但由于介子與原子核的

55、相互作用很弱，不可能介子與原子核的相互作用很弱，不可能是湯川所預(yù)言的介子。是湯川所預(yù)言的介子。19471947年，英國物理學(xué)家鮑威爾年，英國物理學(xué)家鮑威爾(C.F.Powell)(C.F.Powell)用核乳膠技術(shù)探測宇宙射線，發(fā)現(xiàn)了另一種粒子，用核乳膠技術(shù)探測宇宙射線，發(fā)現(xiàn)了另一種粒子，質(zhì)量為電子的質(zhì)量為電子的273273倍，稱為倍，稱為介子。介子。 介子才是湯川預(yù)言的介介子才是湯川預(yù)言的介子。子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院29八八 奇異粒子的研究奇異粒子的研究1.發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：1947年，在宇宙射線的研究年，在宇宙射線的研究中，羅切斯特中，羅切斯特(G.D.Roeche

56、ster)和巴和巴特勒特勒(C.C.Butler)首先在曼徹斯特大首先在曼徹斯特大學(xué)用云室觀察到了奇異的學(xué)用云室觀察到了奇異的“V”型事型事件：如右圖示，虛線表示電中性粒件：如右圖示，虛線表示電中性粒子子V0，實線為帶電粒子。根據(jù)他們，實線為帶電粒子。根據(jù)他們在磁場中的偏轉(zhuǎn)曲率和電離密度，在磁場中的偏轉(zhuǎn)曲率和電離密度，可知可知V0的產(chǎn)物是的產(chǎn)物是p和和- -。 1954年，在美國布魯克海汶實驗室，年，在美國布魯克海汶實驗室，3GeV同步質(zhì)子加速同步質(zhì)子加速器投入使用，開始實現(xiàn)了人工產(chǎn)生器投入使用，開始實現(xiàn)了人工產(chǎn)生“V”型粒子，這些粒子的型粒子，這些粒子的性質(zhì)才得以研究。由于這些粒子有自己奇特

57、的性質(zhì)，所以稱性質(zhì)才得以研究。由于這些粒子有自己奇特的性質(zhì)，所以稱為奇異粒子。比核子重的奇異粒子又稱超子，如為奇異粒子。比核子重的奇異粒子又稱超子，如、+ +、0 0、- -、0 0、- -等，表示為等，表示為V V0 01 1；比核子輕又比；比核子輕又比介子重的介子介子重的介子則用則用V V0 02 2表示，如表示，如K+、K0、K-、等。等。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院302.奇異粒子的兩個特性：奇異粒子的兩個特性：協(xié)同產(chǎn)生、非協(xié)同衰變：即協(xié)同產(chǎn)生、非協(xié)同衰變：即在在碰撞碰撞過程中，它們總是同時產(chǎn)生，可是衰變時卻獨立的進行，最終過程中，它們總是同時產(chǎn)生，可是衰變時卻獨立

58、的進行，最終成為普通粒子；成為普通粒子；快產(chǎn)生，慢衰變（強產(chǎn)生，弱衰變）。奇異快產(chǎn)生，慢衰變（強產(chǎn)生，弱衰變）。奇異粒子的產(chǎn)生過程是強相互作用過程，截面很大，碰撞的時間量粒子的產(chǎn)生過程是強相互作用過程，截面很大，碰撞的時間量級為級為10-24S，而衰變是弱相互作用過程，或電磁相互作用過程，而衰變是弱相互作用過程，或電磁相互作用過程，所以奇異粒子的平均壽命都較長，是穩(wěn)定粒子。所以奇異粒子的平均壽命都較長，是穩(wěn)定粒子。 1953年，蓋爾曼年，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和西島和西島(NiShijima)用一新用一新的量子數(shù)的量子數(shù)奇異數(shù)奇異數(shù)來表示這一特性，并假定在強相互作用中奇來表示這一特性

59、，并假定在強相互作用中奇異數(shù)守恒，而在弱相互作用中奇異數(shù)可以不守恒，從而解釋了異數(shù)守恒，而在弱相互作用中奇異數(shù)可以不守恒，從而解釋了奇異粒子的協(xié)同產(chǎn)生非協(xié)同衰變的實驗事實。奇異粒子的協(xié)同產(chǎn)生非協(xié)同衰變的實驗事實。3.3.- -疑難：疑難：當時對最輕的奇異粒子（現(xiàn)在稱為當時對最輕的奇異粒子（現(xiàn)在稱為K K介子）的介子）的衰變過程發(fā)現(xiàn)了一個疑難：質(zhì)量、壽命、電荷都相同的兩種粒衰變過程發(fā)現(xiàn)了一個疑難：質(zhì)量、壽命、電荷都相同的兩種粒子子-介子和介子和介子，介子，衰變時，衰變時，衰變?yōu)閮蓚€衰變?yōu)閮蓚€介子，介子，它們的它們的宇稱為正宇稱為正；衰變?yōu)樗プ優(yōu)? 3個個介子介子，它們的宇稱則為負它們的宇稱則為負

60、。也就是也就是說說粒子與粒子與粒子衰變時，表現(xiàn)出具有完全相反的宇稱。粒子衰變時，表現(xiàn)出具有完全相反的宇稱。鑒于鑒于質(zhì)量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應(yīng)為同一種，但從其衰質(zhì)量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應(yīng)為同一種，但從其衰變行為看，如果宇稱守恒，則變行為看，如果宇稱守恒，則和和就不可能是同一種粒子。就不可能是同一種粒子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院31 1956年的夏天，年的夏天，楊振寧與李政道楊振寧與李政道一起，查閱了當時已有的一起，查閱了當時已有的關(guān)于關(guān)于“宇稱守恒宇稱守恒”這個概念的實驗基礎(chǔ)以后，這個概念的實驗基礎(chǔ)以后，指出指出：這一疑難這一疑難的關(guān)鍵在于人們認為微觀