第十章-原子核及粒子物理學(xué)的發(fā)展

原子核物理學(xué)的興起前言原子核物理學(xué)是探討核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變更規(guī)律、以及核能、核技術(shù)應(yīng)用等有關(guān)物理問(wèn)題的學(xué)科，簡(jiǎn)稱(chēng)核物理，屬于當(dāng)代物理學(xué)的前沿。粒子物理(高能物理)是探討場(chǎng)和粒子的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，也是探討粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿。原子核物理學(xué)及粒子物理的工作1.試驗(yàn)探討:主要是通過(guò)高能粒子的相互碰撞，用試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)覺(jué)了300多種。接受的試驗(yàn)設(shè)備有加速器、對(duì)撞機(jī)、探測(cè)器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。2.理論基礎(chǔ)是量子場(chǎng)論，是說(shuō)明微觀(guān)現(xiàn)象的基本理論。1一人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)覺(jué)1914年盧瑟福的學(xué)生馬斯登在視察α粒子在空氣中的射程時(shí)留意到，α粒子在空氣中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的射程竟達(dá)40厘米。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證和思索，盧瑟福認(rèn)為，這是空氣中的氫離子受到α粒子的撞擊所致。因?yàn)棣亮Ｗ拥馁|(zhì)量是氫離子質(zhì)量的4倍，因此氫離子被撞擊后速度要大很多。在上述現(xiàn)象啟發(fā)下，從1917年起先，盧瑟福進(jìn)行了α粒子轟擊氮原子核的試驗(yàn)。裝置如右圖。A為α射線(xiàn)源，可前后移動(dòng)，利用顯微鏡M視察透過(guò)窗口F在熒光屏S上的閃爍。當(dāng)從閥T充入氮?dú)猓派湓碅距視察屏S的距離超過(guò)α粒子的射程很多時(shí)，屏上仍有閃爍，射程長(zhǎng)度和氫離子的差不多；當(dāng)充入氧氣時(shí)卻沒(méi)有這種現(xiàn)象。2盧瑟福經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終判定是氮原子在α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）。1919年，盧瑟福明確表達(dá)了α粒子轟擊氮核的反應(yīng)過(guò)程：14N7+4He2→17O8+1H1為了進(jìn)一步了解被轟擊出的粒子的性質(zhì)，在試驗(yàn)裝置里加進(jìn)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，依據(jù)粒子在其中的偏轉(zhuǎn)，測(cè)出它的質(zhì)量和電荷，從而確定了該離子就是氫原子核-----質(zhì)子。后來(lái)英國(guó)卡文迪什試驗(yàn)室的布拉凱特在充溢氮的云室里做了α粒子轟擊氮核的試驗(yàn)，并拍攝了兩萬(wàn)多張?jiān)剖业恼掌?，最終從40多萬(wàn)條α粒子徑跡中發(fā)覺(jué)有8條產(chǎn)生了分叉。從而證明了人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)和質(zhì)子的產(chǎn)生。1921年盧瑟福和查德威克(J.Chadwick)發(fā)覺(jué)硼、氟、鈉、鋁和磷都可以產(chǎn)生類(lèi)似的轉(zhuǎn)變。由于各種原子核里都能打出質(zhì)子來(lái)，可見(jiàn)質(zhì)子是原子核的組成部分。3二中子n的發(fā)覺(jué)1.盧瑟福的預(yù)言：質(zhì)子發(fā)覺(jué)以后，人們認(rèn)為原子核是由電子和質(zhì)子組成，即質(zhì)子-電子核模型。但是這個(gè)模型存在著電子在核內(nèi)的存在狀態(tài)問(wèn)題，并且與量子力學(xué)中多體統(tǒng)計(jì)及自旋理論相沖突。為了說(shuō)明電子為什么能夠穩(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(gè)復(fù)合體，看成是一個(gè)單獨(dú)的中性粒子。1920年6月，盧瑟福預(yù)言：原子核內(nèi)可能存在著質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量相同的中性粒子。1921年美國(guó)化學(xué)家哈金斯將它命名為“中子”。2.中子發(fā)覺(jué)的前奏：1930年德國(guó)物理學(xué)家博特(W.G.F.Bothe)與貝克爾(H.Becher)用自然放射性元素Po放出的α粒子轟擊鈹Be，發(fā)覺(jué)從鈹放射出一種穿透實(shí)力極強(qiáng)的射線(xiàn)。且這種射線(xiàn)在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中都不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們認(rèn)為是高能量的γ射線(xiàn)。41932年1月，法國(guó)物理學(xué)家約里奧-居里夫婦重復(fù)了博特和貝克爾的試驗(yàn)，并用這種新射線(xiàn)轟擊石蠟，結(jié)果從石蠟中打出大量質(zhì)子來(lái)。約里奧-居里夫婦把這種現(xiàn)象當(dāng)成是一種強(qiáng)γ射線(xiàn)造成的“康普頓效應(yīng)”。錯(cuò)失發(fā)覺(jué)中子的良機(jī)。3.查德威克的發(fā)覺(jué)：查德威克當(dāng)時(shí)正在卡文迪什試驗(yàn)室作放射性探討。對(duì)于約里奧-居里夫婦的試驗(yàn)，他不贊同他們的說(shuō)明。他用這種射線(xiàn)先后照射輕重不同的幾種元素，發(fā)覺(jué)這種射線(xiàn)與通常的γ射線(xiàn)性質(zhì)有所不同：通常γ射線(xiàn)照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)密度越大，對(duì)γ射線(xiàn)的吸取越厲害，而這種射線(xiàn)剛好相反。且用它轟擊氫原子核時(shí)，竟然能被彈回來(lái)。說(shuō)明這種射線(xiàn)是具有確定質(zhì)量的中性粒子流。通過(guò)對(duì)反沖核的動(dòng)量測(cè)定，再利用動(dòng)量守恒定律進(jìn)行估算，確定出這種射線(xiàn)中性粒子的質(zhì)量幾乎和質(zhì)子相同。于是查德威克意識(shí)到這就是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的“中子”。于是在1932年的《Nature》上發(fā)表了《中子可能存在》的論文。54.意義1）建立了原子核的正確模型。2）引起了一些新的探討課題。3）由于中子不帶電，因此就使人們?cè)诤宋锢淼奶接懼?，擁有了一顆威力無(wú)比的炮彈，人們利用它打開(kāi)了核能倉(cāng)庫(kù)，昂首邁入原子能時(shí)代!查德威克的成功，是他能夠?qū)⒗碚擃A(yù)言與試驗(yàn)現(xiàn)象親密結(jié)合，抓住機(jī)遇的結(jié)果。原子核物理學(xué)的興起查德威克像6伊倫娜·居里和約里奧·居里原子核物理學(xué)的興起7三人工放射性的發(fā)覺(jué)1934年1月，約里奧-居里夫婦用α粒子轟擊鋁，發(fā)覺(jué)撤走放射源后，還可檢測(cè)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-30，即27Al13+4He2→30P15+1n0磷-30經(jīng)β衰變放出正電子,變成穩(wěn)定元素硅:30P15→30Si14+0e1他們又用α粒子轟擊硼和鎂，得到放射性同位素氮和硅。這樣約里奧-居里夫婦因人工放射性的發(fā)覺(jué)而獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。也為核物理的探討及原子能利用開(kāi)拓了道路。后來(lái)人們發(fā)覺(jué)，用α粒子轟擊輕元素能夠得到放射性同位素，但用α粒子轟擊重元素，則很難產(chǎn)生。費(fèi)米考慮了這一問(wèn)題，認(rèn)為，重元素原子核所帶正電荷較大，與α粒子的庫(kù)侖斥力很難讓?duì)亮Ｗ赢a(chǎn)生轟擊效果。所以他選用中子作試驗(yàn)，盡管中子的產(chǎn)額很少（核反應(yīng)放出的中子一般少于10-4），但由于它不必克服庫(kù)侖勢(shì)壘，所以與原子核撞擊的機(jī)會(huì)比α粒子或質(zhì)子大得多。8四慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)覺(jué)1.慢中子效應(yīng)的發(fā)覺(jué)：1934年10月，費(fèi)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(gè)銀制的圓筒里，對(duì)銀進(jìn)行輻射，他們發(fā)覺(jué)銀的放射性隨中子源的位置而變更，由于鉛是重金屬，費(fèi)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(gè)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100倍。再放到水下做試驗(yàn)，證明水也有類(lèi)似作用。費(fèi)米經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)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。慢中子經(jīng)過(guò)銀原子核的時(shí)間變長(zhǎng)了，因此增加了中子被俘獲的機(jī)會(huì)。因?yàn)槁凶哟蟠笤黾恿宿Z擊的效果，所以慢中子及其作用的發(fā)覺(jué)為重核裂變的發(fā)覺(jué)打下了基礎(chǔ)。因此，人們將慢中子及其效應(yīng)的發(fā)覺(jué)看作是“核時(shí)代的起點(diǎn)”。費(fèi)米簡(jiǎn)介：美籍意大利物理學(xué)家，1901年9月29日誕生于意大利羅馬。17歲時(shí)進(jìn)入比薩高校，畢業(yè)時(shí)，他以X射線(xiàn)的專(zhuān)題論文獲得博士學(xué)位。之后赴德國(guó)格丁根高校，拜玻恩為師，192491934年，用中子轟擊了63種元素，得到了37種放射性同位素。在試驗(yàn)中，發(fā)覺(jué)了慢中子及其效應(yīng)。在用慢中子轟擊原子核的反應(yīng)中，他又發(fā)覺(jué)可生成新的元素。費(fèi)米因利用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)覺(jué)新的放射性元素，獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于受法西斯迫害，借領(lǐng)諾貝爾獎(jiǎng)之機(jī)，攜家移居美國(guó)，在哥倫比亞高校任教。在獲獎(jiǎng)之后，費(fèi)米與一些科學(xué)家們?cè)诤肆炎兊逆準(zhǔn)椒磻?yīng)探討中，同時(shí)預(yù)見(jiàn)到制造原子武器的危急。年回意大利佛羅倫薩高校任教，并因在理論物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)引起世界范圍的留意。1926年，任羅馬高校理論物理學(xué)教授，1927年提出費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)理論，1933年提出β衰變理論。10當(dāng)時(shí)德國(guó)的核裂變也已試驗(yàn)成功，他們特別擔(dān)憂(yōu)德國(guó)首先用以制造原子彈，而美國(guó)的政界、軍界卻反應(yīng)遲鈍。于是，費(fèi)米、西拉德等科學(xué)家于1939年8月一起找到了愛(ài)因斯坦，要求借助他的威望上書(shū)美國(guó)總統(tǒng)羅斯福，提示政府要切實(shí)留意德國(guó)的動(dòng)向和已出現(xiàn)的危急，建議盡一切力氣要趕在德國(guó)納粹分子之前造出原子彈，以殲滅法西斯。上書(shū)信于10月11日轉(zhuǎn)到羅斯福手中，他馬上下令成立鈾礦顧問(wèn)委員會(huì)，并撥了探討經(jīng)費(fèi)，1941年12月6日，日本偷襲珍寶港的前一天批準(zhǔn)了制造原子彈的浩大工程支配。為保密而取名“曼哈頓支配”。1942年12月2日，以費(fèi)米為首的一批美國(guó)科學(xué)家建立了第一座原子反應(yīng)堆，人們利用原子能的時(shí)代從今起先。1954年11月28日費(fèi)米因胃癌逝世于美國(guó)的芝加哥，年僅53歲。為紀(jì)念他，第100號(hào)元素以他的名字命名為鐨。112.核裂變的發(fā)覺(jué)：1934年，當(dāng)費(fèi)米小組用中子轟擊鈾23892U時(shí)，得到了半衰期為13分鐘的一種放射性產(chǎn)物。經(jīng)分析它不屬于鉛-鈾之間的重元素。1934年5月費(fèi)米在《Nature》上發(fā)表了一篇短文《原子序數(shù)高于92的元素可能生成》，報(bào)道了可能是一種“超鈾”元素93。在隨后的4-5年里，人們又接連“發(fā)覺(jué)”了超鈾元素94、95、96和97號(hào)“超鈾”新元素。其實(shí)，這就是最早出現(xiàn)的重核裂變現(xiàn)象。在“超鈾”元素的的探討中，德國(guó)和法國(guó)的科學(xué)家依據(jù)已知核反應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為：當(dāng)中子轟擊原子核時(shí)，原子序數(shù)將增1，產(chǎn)生一新元素。但德國(guó)女化學(xué)家諾達(dá)克夫人(T.Noddack)卻提出不同看法，她認(rèn)為：“當(dāng)重核被中子轟擊時(shí)，該核可能分裂成幾大塊。這些裂片無(wú)疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰”。但這一觀(guān)點(diǎn)沒(méi)有引起費(fèi)米等人的留意，甚至當(dāng)時(shí)的放射性權(quán)威哈恩認(rèn)為諾達(dá)克夫人的觀(guān)點(diǎn)“純粹是謬論”。121938年，伊倫-居里和南斯拉夫的沙維奇(P.Savitch)進(jìn)行了有關(guān)“超鈾”元素的分別和分析試驗(yàn)。他們用中子轟擊鈾，產(chǎn)生了半衰期為3.5小時(shí)的放射性元素，其性質(zhì)接近鑭（鑭原子序數(shù)為57，后證明是鑭-141），于同年5月將試驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)院通訊》上。由于產(chǎn)生的放射性元素同鈾和“超鈾”元素的差別太大，又沒(méi)有意識(shí)到重核的分裂，于是放棄了試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)德國(guó)化學(xué)家哈恩及猶太血統(tǒng)的奧地利女化學(xué)家邁特納(L.Meitner)也正在從事放射性探討?？吹揭羵?居里的文章后認(rèn)為他們確定是搞錯(cuò)了，于是馬上重復(fù)了居里的試驗(yàn)，結(jié)果證明白伊倫-居里和沙維奇的結(jié)果。亦即確定在中子轟擊重核時(shí)確有中間元素（鑭和鋇）產(chǎn)生。1939年1月，德國(guó)《自然科學(xué)》雜志上發(fā)表了哈恩和斯特拉斯曼的試驗(yàn)結(jié)果。哈恩寫(xiě)信將結(jié)果告知為了避難正在斯德格爾摩諾貝爾探討所工作的邁特納。邁特納和她的侄子弗里胥(O.Frisch，1934年流亡國(guó)外，在玻爾理論物理探討所工作)對(duì)哈恩的結(jié)果進(jìn)行了探討。弗里胥在玻爾“液滴核模型”的啟發(fā)下，想到：假如核被中子擊中13或許會(huì)以巨大的能量分裂。幾天后，弗里胥回到哥本哈根，將自己的想法告知了玻爾。玻爾聽(tīng)了特別興奮，驚呼：“正應(yīng)當(dāng)如此”。于是弗里胥和邁特納隨即聯(lián)名寫(xiě)文章，論證重核分裂的產(chǎn)生。重核裂變的現(xiàn)象最終真相大白。“裂變(fission)”一詞也由此產(chǎn)生。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：重核裂變一經(jīng)證明，人們馬上轉(zhuǎn)向由此可能釋放的核能。很多試驗(yàn)證明白理論預(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?zhǔn)椒磻?yīng)。約里奧和他的同事們首先提出了“中子過(guò)?！眴?wèn)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)子數(shù)大的多。因此重核分裂成兩個(gè)較輕核時(shí)，必定出現(xiàn)中子過(guò)剩。假如過(guò)剩的中子又去轟擊重核，連鎖反應(yīng)即可發(fā)生。費(fèi)米小組證明鈾核每次裂變平均可產(chǎn)生2個(gè)中子。他們選擇鈾235核石墨做試驗(yàn)。并在軍方的支持下起先了曼哈頓工程。14第一座原子反應(yīng)堆1941年12月起先，費(fèi)米選擇了芝加哥高校的一座運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的看臺(tái)下做為試驗(yàn)區(qū)，起先了核反應(yīng)試驗(yàn)。但有兩個(gè)問(wèn)題須要解決，一是把中子減速為慢中子，以提高核裂變的效率；重水是很好的中子減速劑，但成本太高，一般水對(duì)中子減速太快，且有很強(qiáng)的吸?。蛔罱K選擇石墨作為中子減速劑。二是嚴(yán)格限制核裂變的反應(yīng)速度。最終選擇了鎘來(lái)吸取中子，以限制核裂變速度。設(shè)計(jì)方案為將反應(yīng)堆作成立方點(diǎn)陣形式，鈾層和石墨層間隔的布置在方陣中。1942年12月1日反應(yīng)堆砌好，并達(dá)到臨界狀態(tài)。次日抽出限制用的鎘棒，自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生了，得到的功率為0.5瓦。人類(lèi)第一次實(shí)現(xiàn)了原子能的可控釋放。為了保密，他們用暗語(yǔ)向美國(guó)國(guó)家保衛(wèi)探討委員會(huì)主席通話(huà)說(shuō):“意大利航海家登上了新大陸”。從今起先了原子能利用的新紀(jì)元。15原子核物理學(xué)的興起原子彈原子彈利用的是沒(méi)有催化劑且不加以限制的原子核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。美國(guó)動(dòng)用了大量人力、物力，集結(jié)了世界大量的科學(xué)人才。1945年7月16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(wàn)度的高溫，幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓，放置原子彈的鋼塔忽然化成了氣體。被炸后的廣島杜魯門(mén)政府確定用原子彈折服死不倒戈的日本。1945年8月6日第一枚原子彈投在廣島，8月9日又在長(zhǎng)崎投了其次顆，廣島死78,150人，長(zhǎng)崎死23,700人。16原子核物理學(xué)的興起氫彈

前蘇聯(lián)于1949年2月22日，爆炸了第一顆原子彈。英國(guó)于1952年10月3日、法國(guó)于1960年2月13日、中國(guó)于1964年10月16日，分別爆炸了第一顆原子彈。氫彈繼原子彈后，又制造了威懾實(shí)力更大的氫彈。我國(guó)政府提出了不首先運(yùn)用核武器倡議，并在1996年宣布停止核試驗(yàn)。全世界現(xiàn)已擁有核彈頭5萬(wàn)多個(gè)，相當(dāng)于廣島原子彈的100萬(wàn)倍。174.核能的應(yīng)用1)原子能發(fā)電站1954年6月27日，前蘇聯(lián)在莫斯科旁邊首先建成，現(xiàn)已有40多個(gè)國(guó)家擁有400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30%左右，核電站還具有由運(yùn)行平安，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)在美、法、日、德、俄等國(guó)廣泛接受。2)用于農(nóng)業(yè)螺旋蟲(chóng)曾在美國(guó)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(guó)以毒攻毒，將螺旋蟲(chóng)用核輻射處理，使之無(wú)生育實(shí)力，但能交配，18個(gè)月內(nèi)，每星期播放5千萬(wàn)只這樣的蟲(chóng)子，整個(gè)地區(qū)螺旋蟲(chóng)被殲滅。原子核物理學(xué)的興起18原子核物理學(xué)的興起5.核物理的發(fā)展

一方面表現(xiàn)為向凝合態(tài)物理、天體物理和核技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，另一方面為核物理自身的發(fā)展，對(duì)核的探討，已從低激發(fā)態(tài)到探討高激發(fā)態(tài)和高自旋態(tài)，核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用照舊有著廣袤的前景。1920五正電子的發(fā)覺(jué)安德遜(C.D.Anderson)：美國(guó)加州理工學(xué)院密立根教授的學(xué)生，1930年起負(fù)責(zé)用云室觀(guān)測(cè)宇宙射線(xiàn)。云室置于磁場(chǎng)中。為了鑒別宇宙射線(xiàn)的性質(zhì)，在云室中安有幾塊金屬板，粒子穿過(guò)金屬板，就可區(qū)分其能量。1932年8月2日，安德遜在照片中發(fā)覺(jué)一條奇妙的徑跡，與電子的徑跡相像，卻又具相反的方向，顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率推斷，又不行能是質(zhì)子。于是他堅(jiān)決得出結(jié)論：這是帶正電的電子。安德遜因此獲得1936年的餓諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)他并不了解狄拉克的電子理論，也不知道狄拉克預(yù)言過(guò)正電子的存在。1928年，狄拉克從相對(duì)論和量子力學(xué)的一般原理動(dòng)身，建立了相對(duì)論電子波動(dòng)方程---狄拉克方程。但狄拉克方程有四個(gè)解，其中兩個(gè)正解分別對(duì)應(yīng)正能態(tài)的電子的兩個(gè)自旋態(tài)。狄拉克預(yù)言，另兩個(gè)解應(yīng)對(duì)應(yīng)于電子負(fù)能態(tài)的“空穴”------即反電子。21六中微子的發(fā)覺(jué)1.中微子概念的提出：中微子概念的提出，與原子核的β衰變有干脆聯(lián)系。1914年查德威克證明α射線(xiàn)和γ射線(xiàn)德能譜是分立的，在衰變中放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，β射線(xiàn)的能譜是連續(xù)的。也就是說(shuō)，β衰變放射出來(lái)的電子能量從零到最大值都有分布。有些電子的能量竟會(huì)小于初態(tài)與終態(tài)的能量差。那部分能量哪去了？1930年泡利提出：“只有假定在β衰變過(guò)程中，伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)輕的中性粒子（稱(chēng)之為中子）一起被放射出來(lái)，使中子和電子的能量之和為常數(shù)，才能說(shuō)明連續(xù)β譜。”這里泡利指的中子即是中微子。費(fèi)米接受了泡利的假說(shuō)，并于1934年提出弱相互作用的β衰變理論。費(fèi)米認(rèn)為，正象光子在原子或原子核從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一個(gè)激發(fā)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的那樣，電子和中微子是在β衰變中產(chǎn)生的。β-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子；22β+衰變是一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橐粋€(gè)中子。質(zhì)子和中子可以看作是一個(gè)核子的兩個(gè)不同狀態(tài)，因此質(zhì)子和中子之間的轉(zhuǎn)變，就相當(dāng)于一個(gè)量子態(tài)躍遷到另一個(gè)量子態(tài)，在躍遷過(guò)程中同時(shí)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。β+衰變就是約里奧-居里夫婦發(fā)覺(jué)的放射正電子的人工放射性。同年，維克(G.C.Wick)指出，在費(fèi)米理論的相互作用里，允許原子核里發(fā)生如下過(guò)程：P→n+e++νe；他還預(yù)言可能會(huì)有軌道電子的俘獲過(guò)程，這個(gè)過(guò)程于1938年被阿爾瓦雷茲(L.W.Alvarez)視察到。2.中微子的間接驗(yàn)證：中微子不帶電，只參與弱相互作用，且穿透實(shí)力極強(qiáng)，幾乎可以不受任何阻礙的穿過(guò)地球，所以中微子的探測(cè)特別困難。1941年，我國(guó)物理學(xué)家王金昌首先提出了一個(gè)間接探測(cè)中微子的方法。23他指出：“當(dāng)一個(gè)β+放射性原子不是放射一個(gè)正電子，而是俘獲一個(gè)Ｋ層電子時(shí)，反應(yīng)后的原子的反沖能量和動(dòng)量?jī)H僅取決于所放出的中微子。原子核外電子的效應(yīng)可以忽視不計(jì)。因此，只要測(cè)量反應(yīng)后原子的反沖能量和動(dòng)量，就很簡(jiǎn)潔求得放射出的中微子的質(zhì)量和能量。而且由于沒(méi)有連續(xù)的β射線(xiàn)被放射出來(lái)，這種反沖效應(yīng)對(duì)全部的原子都是相同的。”1942年，美國(guó)物理學(xué)家艾倫(J.S.Allen)按上述方案進(jìn)行了測(cè)量，取得了確定的結(jié)果，但未完全成功。1952年又重新進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)出了原子的反沖能。帶維斯(R.Davis)也成功地重復(fù)了艾倫1942年的試驗(yàn)。這樣，通過(guò)間接的試驗(yàn)證明白中微子的存在。3.中微子的干脆檢測(cè)：在核反應(yīng)中，中微子的放射數(shù)量級(jí)極大，通過(guò)對(duì)核裂變產(chǎn)物的探測(cè)，有可能確證中微子的存在。1956年，洛斯·阿拉莫斯試驗(yàn)室的美國(guó)物理學(xué)家柯恩(C.Cowan)核萊因斯(F.Reines)首先在核反應(yīng)堆中檢測(cè)到。24他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)規(guī)模巨大的試驗(yàn)方案，他們探討下面反應(yīng)過(guò)程通過(guò)探測(cè)出反應(yīng)產(chǎn)物：正電子e+和中子n，并測(cè)出準(zhǔn)確的反中微子與質(zhì)子p的反應(yīng)截面，就可以證明反中微子的存在。通過(guò)艱苦的工作，他們最終在1956年宣布試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期相符。4.中微子的探討進(jìn)展：1962年，美國(guó)的施瓦茨(M.Schwartz)等人通過(guò)加速器進(jìn)行試驗(yàn)，又證明白兩種不同的中微子νeνμ；70年頭中期，美國(guó)的佩爾(M.L.Perl)小組在A(yíng)PEAR的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中又發(fā)覺(jué)了另外兩種中微子—ντ和反ντ。至此，中微子就有了六個(gè)且只有六個(gè)：。5.中微子的質(zhì)量：對(duì)中微子的質(zhì)量是否為零，始終存在質(zhì)疑，緣由有兩個(gè)方面：①若中微子的質(zhì)量不為零，存在中微子振蕩，則太陽(yáng)中微子失蹤之謎就揭開(kāi)了；②有關(guān)暗物質(zhì)問(wèn)題。天體當(dāng)中有些物質(zhì)看不見(jiàn)，但存在，稱(chēng)為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是什么?25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)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(cè)量仍在接著中，但試驗(yàn)檢測(cè)只能減小中微子質(zhì)量的上限，如目前已經(jīng)測(cè)量到：26七介子理論的建立在原子核性質(zhì)的探討過(guò)程中，人們漸漸明確了核力與核子是否帶電無(wú)關(guān)，核子之間的相互作用是一種短程力，其作用范圍約為10-13厘米。這種力遠(yuǎn)比電荷間的電磁相互作用強(qiáng)大，因此不能簡(jiǎn)潔的歸結(jié)為電磁相互作用，而是一種強(qiáng)相互作用。1.湯川的預(yù)言：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)(H.Yukawa)提出介子理論，用于說(shuō)明強(qiáng)相互作用。他認(rèn)為，核子之間是通過(guò)交換一種可稱(chēng)為介子(meson)的粒子發(fā)生相互作用。并依據(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。1949年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2.介子的發(fā)覺(jué)：1937年安德森核尼德邁耶(S.H.Neddemeyer)在宇宙射線(xiàn)的探討中發(fā)覺(jué)了質(zhì)量約為電子的207倍的新粒子，稱(chēng)為μ介子。但由于μ介子與原子核的相互作用很弱，不行能是湯川所預(yù)言的介子。1947年，英國(guó)物理學(xué)家鮑威爾(C.F.Powell)用核乳膠技術(shù)探測(cè)宇宙射線(xiàn)，發(fā)覺(jué)了另一種粒子，質(zhì)量為電子的273倍，稱(chēng)為π介子。π介子才是湯川預(yù)言的介子。27八奇異粒子的探討1.發(fā)覺(jué)：1947年，在宇宙射線(xiàn)的探討中，羅切斯特(G.D.Roechester)和巴特勒(C.C.Butler)首先在曼徹斯特高校用云室視察到了奇異的“V”型事務(wù)：如右圖示，虛線(xiàn)表示電中性粒子V0，實(shí)線(xiàn)為帶電粒子。依據(jù)他們?cè)诖艌?chǎng)中的偏轉(zhuǎn)曲率和電離密度，可知V0的產(chǎn)物是p和π-。1954年，在美國(guó)布魯克海汶試驗(yàn)室，3GeV同步質(zhì)子加速器投入運(yùn)用，起先實(shí)現(xiàn)了人工產(chǎn)生“V”型粒子，這些粒子的性質(zhì)才得以探討。由于這些粒子有自己奇妙的性質(zhì)，所以稱(chēng)為奇異粒子。比核子重的奇異粒子又稱(chēng)超子，如Λ、Σ+、Σ0、Σ-、Ξ0、Ξ-等，表示為V01；比核子輕又比π介子重的介子則用V02表示，如K+、K0、K-、η等。282.奇異粒子的兩個(gè)特性：①協(xié)同產(chǎn)生、非協(xié)同衰變：即在碰撞過(guò)程中，它們總是同時(shí)產(chǎn)生，可是衰變時(shí)卻獨(dú)立的進(jìn)行，最終成為一般粒子；②快產(chǎn)生，慢衰變（強(qiáng)產(chǎn)生，弱衰變）。奇異粒子的產(chǎn)生過(guò)程是強(qiáng)相互作用過(guò)程，截面很大，碰撞的時(shí)間量級(jí)為10-24S，而衰變是弱相互作用過(guò)程，或電磁相互作用過(guò)程，所以奇異粒子的平均壽命都較長(zhǎng)，是穩(wěn)定粒子。1953年，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和西島(NiShijima)用一新的量子數(shù)—奇異數(shù)來(lái)表示這一特性，并假定在強(qiáng)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，從而說(shuō)明白奇異粒子的協(xié)同產(chǎn)生非協(xié)同衰變的試驗(yàn)事實(shí)。3.θ-τ疑難：當(dāng)時(shí)對(duì)最輕的奇異粒子（現(xiàn)在稱(chēng)為K介子）的衰變過(guò)程發(fā)覺(jué)了一個(gè)疑難：質(zhì)量、壽命、電荷都相同的兩種粒子--θ介子和τ介子，衰變時(shí)，θ衰變?yōu)閮蓚€(gè)π介子，它們的宇稱(chēng)為正；τ衰變?yōu)?個(gè)π介子，它們的宇稱(chēng)則為負(fù)。也就是說(shuō)θ粒子與τ粒子衰變時(shí)，表現(xiàn)出具有完全相反的宇稱(chēng)。鑒于質(zhì)量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應(yīng)為同一種，但從其衰變行為看，假如宇稱(chēng)守恒，則θ和τ就不行能是同一種粒子。291956年的夏天，楊振寧與李政道一起，查閱了當(dāng)時(shí)已有的關(guān)于“宇稱(chēng)守恒”這個(gè)概念的試驗(yàn)基礎(chǔ)以后，指出：這一疑難的關(guān)鍵在于人們認(rèn)為微觀(guān)粒子的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程種宇稱(chēng)守恒，強(qiáng)相互作用和電磁相互作用的過(guò)程中，宇稱(chēng)守恒是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)的，但在弱相互作用過(guò)程中，宇稱(chēng)并沒(méi)有得到判決性的檢驗(yàn)，沒(méi)有依據(jù)說(shuō)它確定守恒。假如“宇稱(chēng)守恒”在弱相互作用中并不成立，那么“宇稱(chēng)”的概念就不能應(yīng)用在θ粒子和τ粒子的衰變機(jī)制中。這樣，θ粒子與τ粒子就可以是同一種粒子，θ-τ疑難即可迎刃而解。與此同時(shí)，他們還建議可以用β衰變等試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)他們的推想。幾個(gè)月后，哥倫比亞高校美籍華裔吳健雄教授與美國(guó)華盛頓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的四位物理工作者一起，用鈷60的衰變?cè)囼?yàn)證明白在這種β衰變過(guò)程中宇稱(chēng)的確不守恒。此后還有其他的試驗(yàn)也證明這個(gè)結(jié)論的正確性。于是，在弱相互作用下的宇稱(chēng)守恒原理，最終被推翻了。楊振寧與李政道因此共同獲得1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。同年獲得愛(ài)因斯坦科學(xué)獎(jiǎng)。30粒子物理學(xué)的發(fā)展楊振寧李政道31李政道和楊振寧楊振寧、李政道大膽提出粒子在弱相互作用中，宇稱(chēng)不確定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一種粒子。粒子物理學(xué)的發(fā)展32吳健雄的試驗(yàn)驗(yàn)證吳健雄做了極化鈷60原子核β衰變?cè)囼?yàn)，將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場(chǎng)內(nèi)，試驗(yàn)說(shuō)明白β衰變規(guī)律宇稱(chēng)不守恒，使楊、李的觀(guān)點(diǎn)得到了驗(yàn)證，打破了人們的傳統(tǒng)觀(guān)念。吳健雄粒子物理學(xué)的發(fā)展33九粒子的分類(lèi)在粒子物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，提出過(guò)不同的分類(lèi)方案，如①早期按粒子的質(zhì)量分類(lèi)：光子（0）、輕子（輕）、介子（輕子和重子之間）、重子（重）；②按粒子的壽命分為穩(wěn)定粒子（平均壽命>10-18s)和不穩(wěn)定粒子（平均壽命在10-20-10-24S）；③分為粒子和反粒子。反粒子：反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋等與粒子相同，而電荷等相加性量子數(shù)與粒子異號(hào)。首先從理論上預(yù)言反粒子存在的人，是英國(guó)人狄拉克。25歲時(shí)狄拉克對(duì)量子力學(xué)就做出了令人矚目的貢獻(xiàn)。此后他致力于建立相對(duì)論性電子理論。最終他提出了著名的狄拉克方程。該方程不僅簡(jiǎn)潔、美麗，而且還能解出試驗(yàn)的自旋值和磁矩值，精細(xì)結(jié)構(gòu)，將量子力學(xué)中的康普頓散射、塞曼效應(yīng)等事實(shí)，通過(guò)相對(duì)論電子理論統(tǒng)一起來(lái)。341955年賽格雷、張伯倫在高能加速器上獲得了反質(zhì)子。1956年發(fā)覺(jué)反中子。1959年，我國(guó)科學(xué)家王淦昌發(fā)覺(jué)了反西格馬負(fù)超子（）。人們又起先想到能否用反質(zhì)子、反中子、正電子，組成一個(gè)反原子。1995年起先，歐洲粒子探討中心的科學(xué)家，在(LEAR)低能反質(zhì)子環(huán)中，產(chǎn)生了9個(gè)反氫原子，雖然它們存在的時(shí)間僅為三億分之四秒，但是，卻將人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)知領(lǐng)域大大擴(kuò)展了。粒子物理學(xué)的發(fā)展賽格雷像35張伯倫像粒子物理學(xué)的發(fā)展36現(xiàn)在公認(rèn)的科學(xué)分類(lèi)方法是按粒子參與相互作用的類(lèi)型來(lái)分。粒子共參與四種相互作用：強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三種相比太弱，因此粒子物理學(xué)中不考慮它。①輕子：主要參與弱作用，帶電的輕子也參與電磁作用，自旋都是1/2，所以是費(fèi)米子；輕子必定以粒子與反粒子對(duì)的形式生成湮滅。電子等6種是輕子，加上它們的反粒子，輕子共12種。②強(qiáng)子：干脆參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱(chēng)為強(qiáng)子，強(qiáng)子也參與弱作用，帶電強(qiáng)子也參與電磁相互作用。強(qiáng)子又分為介子和重子兩類(lèi)：自旋為整數(shù)或零的稱(chēng)為介子，如π、K、Η等；自旋為半整數(shù)的稱(chēng)為重子，如p、n、Σ、Λ、Ξ等；③規(guī)范玻色子：是傳遞各種相互作用的中介者，它們是傳遞電磁作用的光子；傳遞弱作用的W±、Z0，傳遞強(qiáng)作用的膠子。膠子至今未發(fā)覺(jué)。規(guī)范玻色子都是玻色子。37十強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和夸克理論1.坂田模型最早提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型的是費(fèi)米和楊振寧，1949年他們提出，π介子是由核子（質(zhì)子、中子）和它們的反粒子（反質(zhì)子和反中子）組成。由于當(dāng)時(shí)反質(zhì)子和反中子尚未發(fā)覺(jué)，所以，這一模型的提出須要確定的學(xué)問(wèn)積累和膽識(shí)。1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：強(qiáng)子都是由質(zhì)子、中子和Λ超子以及它們的反粒子組成。這些粒子稱(chēng)為基礎(chǔ)粒子。2.八重法1961年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)對(duì)稱(chēng)性對(duì)強(qiáng)子進(jìn)行分類(lèi)的“八重法”。這一方法概括了當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)覺(jué)的大量粒子，并預(yù)言了Ω-1粒子的存在。這一預(yù)言于1964年被試驗(yàn)證明。383.夸克理論1964年蓋爾曼進(jìn)一步提出假設(shè)，即作為SU(3)群的物理基礎(chǔ)的三重態(tài)，不僅僅是某種數(shù)學(xué)框架，而是三種不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)。并提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的“夸克”模型：他認(rèn)為夸克是自然界中更基本的組成粒子，全部強(qiáng)子都是由三種夸克和它們的反粒子組成?？淇诵再|(zhì)：①夸克必需是費(fèi)米子。因?yàn)橘M(fèi)米子可以構(gòu)成費(fèi)米子，也可以構(gòu)成玻色子；而玻色子只能構(gòu)成玻色子，不能構(gòu)成費(fèi)米子。②夸克具有分?jǐn)?shù)電荷。上夸克的電荷為2e/3，下夸克的電荷為-e/3，奇異夸克的電荷也為-e/3。③夸克帶有色荷：紅色(R)、黃色(Y)、綠色(G)。這些色荷確定夸克參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)弱程度。標(biāo)準(zhǔn)模型：中子由2個(gè)下夸克和1個(gè)上夸克構(gòu)成，寫(xiě)作(udd)；質(zhì)子則由2上夸克和1下夸克構(gòu)成，記為(uud)。在強(qiáng)子內(nèi)部，夸克通過(guò)膠子傳遞強(qiáng)相互作用。膠子帶有色荷，彼此有相互作用，可以形成膠子-膠子束縛態(tài)（即膠球）。39粒子物理學(xué)的發(fā)展蓋爾曼像由于夸克模型能夠成功的說(shuō)明很多已知事實(shí)，把極為困難的事情變得特別簡(jiǎn)潔，而且在說(shuō)明強(qiáng)子分類(lèi)和質(zhì)量譜等方面特別成功，所以這一模型為大多數(shù)人所接受。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。40J/ψ粒子是自旋為1的玻色子，質(zhì)量很大，比質(zhì)子質(zhì)量還大3倍多。它的電荷是2e/3；但壽命卻稀奇的長(zhǎng)，達(dá)到10-20秒，是類(lèi)似能量的典型強(qiáng)子的1000多倍。為了說(shuō)明J/ψ粒子的性質(zhì)，人們提出了一種新的夸克---桀夸克（c夸克）。J/ψ粒子是由一個(gè)桀夸克和一個(gè)反桀夸克組成的束縛態(tài)。4.桀夸克的發(fā)覺(jué)1974年8月，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的探討小組，在布魯克海文試驗(yàn)室的質(zhì)子加速器（能量為3.3×1010eV）上發(fā)覺(jué)了一個(gè)新粒子，將其命名為“J”，并于11月份宣布。同時(shí)在美國(guó)西海岸的斯坦福高校直線(xiàn)加速器中心的里克特小組也發(fā)覺(jué)了類(lèi)似的粒子，并將其命名為“ψ”。因此，這個(gè)粒子就命名為“J/ψ”。不久在意大利和德國(guó)的加速器上也相繼視察到這個(gè)粒子。為此，丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。里克特415.底夸克(b)和頂夸克(t)依據(jù)基本粒子的發(fā)覺(jué)歷史，可將夸克分為三代，第一代夸克為上夸克和下夸克(u、d)；其次代為奇異夸克和桀夸克(s、c)。從20世紀(jì)70年頭，人們起先找尋第三代夸克---底夸克(b)和頂夸克(t)。1984年，歐洲核子中心（CERN）發(fā)覺(jué)了頂夸克的痕跡。但真正找到它們卻特別困難。1992年5月，費(fèi)米試驗(yàn)室利用Tevatron對(duì)撞機(jī)(加速器長(zhǎng)6.4公里)找尋頂夸克，參與試驗(yàn)的是兩個(gè)國(guó)際性合作組：CDF和D0，共800多人。1994年最終視察到頂夸克的試驗(yàn)證據(jù)，并測(cè)定了其質(zhì)量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是質(zhì)子質(zhì)量的180多倍，是最輕的上夸克的30000多倍，大大出乎人們的預(yù)料。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，質(zhì)量認(rèn)作為一個(gè)基本常數(shù)，它是依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，人為的加到理論中去的。但為什么夸克有三代的劃分？三代間的質(zhì)量為什么相差懸殊？有沒(méi)有第四代？是什么因素確定了它們的質(zhì)量的大小等等問(wèn)題都在等待答案。426.夸克囚禁在目前的相識(shí)水平上，夸克是最小的物質(zhì)粒子，在構(gòu)成強(qiáng)子時(shí)，夸克之間的作用還要借助膠子，就象傳遞電磁作用的媒介粒子---光子一樣。由于夸克所帶色荷有三種，所以膠子有8種。一般地，介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克構(gòu)成，重子由三個(gè)夸克構(gòu)成。這些正反夸克之間的相互作用是通過(guò)交換膠子來(lái)完成的。約束核子在原子核內(nèi)的力是核力，約束夸克在重子和介子內(nèi)的力是“色力”。不同的是核力對(duì)核子的約束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脫離原子核并不是特別困難。但是色力卻使夸克不行跨越，從試驗(yàn)狀況看，人們從未發(fā)覺(jué)單個(gè)、自由的夸克，只有2個(gè)或3個(gè)夸克的集合體才能處于自由狀態(tài)，通常狀況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部?？淇艘獩_破色力的束縛成為自由夸克幾乎是不行能的。這種現(xiàn)象稱(chēng)作“夸克囚禁”。但與此同時(shí)，粒子加速器上的試驗(yàn)，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，似乎并沒(méi)有相互作用力。這是當(dāng)時(shí)科學(xué)探討無(wú)法完全說(shuō)明的問(wèn)題。只有了解夸克之間的相互作用力的性質(zhì)，才有可能得到單個(gè)的自由夸克，從而解決這個(gè)難題。43“弦”模型：關(guān)于“夸克囚禁”，意大利和美國(guó)物理學(xué)家曾提出“弦”模型來(lái)說(shuō)明。1968年，意大利的維尼基亞諾(Vineziano)找到了一個(gè)與量子場(chǎng)論無(wú)關(guān)的函數(shù)，它能很好的描述強(qiáng)子的很多特征。但假如用這個(gè)函數(shù)描述粒子的性質(zhì)，粒子將等效成一根一維弦。這意味著粒子的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)將被一根“弦”來(lái)代替。最初引用“弦”概念的是美國(guó)加州理工學(xué)院的許瓦茲(J.G.Schwarz)和舍科(S