原子核及粒子物理學的興起

原子核及粒子物理學的興起2004-12-81第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-82原子核物理學的興起前言原子核物理學是研究核的性質、結構和變化規(guī)律、以及核能、核技術應用等有關物理問題的學科，簡稱核物理，屬于當代物理學的前沿。粒子物理(高能物理)是研究場和粒子的性質、運動、相互作用和相互轉化規(guī)律的學科，也是研究粒子內部結構規(guī)律的學科，是當代物理學發(fā)展的前沿。原子核物理學及粒子物理的工作1.實驗研究:主要是通過高能粒子的相互碰撞，用實驗手段發(fā)現新粒子。到目前已經發(fā)現了300多種。采用的試驗設備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數據處理系統。2.理論基礎是量子場論，是解釋微觀現象的基本理論。第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-83一人工核反應的實現及質子的發(fā)現1914年盧瑟福的學生馬斯登在觀察α粒子在空氣中的射程時注意到，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40厘米。經反復驗證和思考，盧瑟福認為，這是空氣中的氫離子受到α粒子的撞擊所致。因為α粒子的質量是氫離子質量的4倍，因此氫離子被撞擊后速度要大許多。在上述現象啟發(fā)下，從1917年開始，盧瑟福進行了α粒子轟擊氮原子核的實驗。裝置如右圖。A為α射線源，可前后移動，利用顯微鏡M觀察透過窗口F在熒光屏S上的閃爍。當從閥T充入氮氣，放射源A距觀察屏S的距離超過α粒子的射程很多時，屏上仍有閃爍，射程長度和氫離子的差不多；當充入氧氣時卻沒有這種現象。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-84盧瑟福經過反復實驗，終于判定是氮原子在α粒子的轟擊下發(fā)生了核嬗變：從氮核中釋放出了氫核（質子）。1919年，盧瑟福明確表達了α粒子轟擊氮核的反應過程：

14N7+4He2→17O8+1H1為了進一步了解被轟擊出的粒子的性質，在實驗裝置里加進磁場和電場，根據粒子在其中的偏轉，測出它的質量和電荷，從而確定了該離子就是氫原子核-----質子。后來英國卡文迪什實驗室的布拉凱特在充滿氮的云室里做了α粒子轟擊氮核的實驗，并拍攝了兩萬多張云室的照片，終于從40多萬條α粒子徑跡中發(fā)現有8條產生了分叉。從而證實了人工核反應的實現和質子的產生。1921年盧瑟福和查德威克(J.Chadwick)發(fā)現硼、氟、鈉、鋁和磷都可以產生類似的轉變。由于各種原子核里都能打出質子來，可見質子是原子核的組成部分。第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-85二中子n的發(fā)現1.盧瑟福的預言：質子發(fā)現以后，人們認為原子核是由電子和質子組成，即質子-電子核模型。但是這個模型存在著電子在核內的存在狀態(tài)問題，并且與量子力學中多體統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，盧瑟福提出，可以把質子和電子作為一個復合體，看成是一個單獨的中性粒子。1920年6月，盧瑟福預言：原子核內可能存在著質量與質子質量相同的中性粒子。1921年美國化學家哈金斯將它命名為“中子”。2.中子發(fā)現的前奏：1930年德國物理學家博特(W.G.F.Bothe)與貝克爾(H.Becher)用天然放射性元素Po放出的α粒子轟擊鈹Be，發(fā)現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。人們認為是高能量的γ射線。第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-861932年1月，法國物理學家約里奧-居里夫婦重復了博特和貝克爾的實驗，并用這種新射線轟擊石蠟，結果從石蠟中打出大量質子來。約里奧-居里夫婦把這種現象當成是一種強γ射線造成的“康普頓效應”。錯失發(fā)現中子的良機。3.查德威克的發(fā)現：查德威克當時正在卡文迪什實驗室作放射性研究。對于約里奧-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)現這種射線與通常的γ射線性質有所不同：通常γ射線照射到物質上時，物質密度越大，對γ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一定質量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定，再利用動量守恒定律進行估算，確定出這種射線中性粒子的質量幾乎和質子相同。于是查德威克意識到這就是盧瑟福曾經預言的“中子”。于是在1932年的《Nature》上發(fā)表了《中子可能存在》的論文。第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-874.意義1）建立了原子核的正確模型。2）引起了一些新的研究課題。3）由于中子不帶電，因此就使人們在核物理的研究中，擁有了一顆威力無比的炮彈，人們利用它打開了核能倉庫，昂首邁入原子能時代!查德威克的成功，是他能夠將理論預言與實驗現象密切結合，抓住機遇的結果。原子核物理學的興起查德威克像第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-88伊倫娜·居里和約里奧·居里原子核物理學的興起第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-89三人工放射性的發(fā)現1934年1月，約里奧-居里夫婦用α粒子轟擊鋁，發(fā)現撤走放射源后，還可檢測到放射性?；瘜W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)現而獲得1935年諾貝爾化學獎。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，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α粒子的庫侖斥力很難讓α粒子產生轟擊效果。所以他選用中子作實驗，盡管中子的產額很少（核反應放出的中子一般少于10-4），但由于它不必克服庫侖勢壘，所以與原子核撞擊的機會比α粒子或質子大得多。第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-810四慢中子效應和核裂變的發(fā)現1.慢中子效應的發(fā)現：1934年10月，費米小組的阿瑪爾迪等人把一裝在鉛盒內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，于是他們把大塊石蠟挖了個洞，將中子源放入，然后輻照銀圓筒，結果銀的放射性增加了100倍。再放到水下做實驗，證實水也有類似作用。費米經過分析，認為：由于石蠟中大量的氫核（質子）與中子質量相近，中子碰撞后速度大大減慢，成為慢中子。慢中子經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)現為重核裂變的發(fā)現打下了基礎。因此，人們將慢中子及其效應的發(fā)現看作是“核時代的起點”。費米簡介：美籍意大利物理學家，1901年9月29日出生于意大利羅馬。17歲時進入比薩大學，畢業(yè)時，他以X射線的專題論文獲得博士學位。之后赴德國格丁根大學，拜玻恩為師，1924第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-811

1934年，用中子轟擊了63種元素，得到了37種放射性同位素。在實驗中，發(fā)現了慢中子及其效應。在用慢中子轟擊原子核的反應中，他又發(fā)現可生成新的元素。費米因利用慢中子轟擊原子核引起有關核反應和利用中子輻射發(fā)現新的放射性元素，獲得了1938年諾貝爾物理學獎。由于受法西斯迫害，借領諾貝爾獎之機，攜家移居美國，在哥倫比亞大學任教。在獲獎之后，費米與一些科學家們在核裂變的鏈式反應研究中，同時預見到制造原子武器的危險。年回意大利佛羅倫薩大學任教，并因在理論物理學方面的貢獻引起世界范圍的注意。1926年，任羅馬大學理論物理學教授，1927年提出費米-狄拉克統計理論，1933年提出β衰變理論。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-812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、軍界卻反應遲鈍。于是，費米、西拉德等科學家于1939年8月一起找到了愛因斯坦，要求借助他的威望上書美國總統羅斯福，提醒政府要切實注意德國的動向和已出現的危險，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10月11日轉到羅斯福手中，他立即下令成立鈾礦顧問委員會，并撥了研究經費，1941年12月6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“曼哈頓計劃”。

1942年12月2日，以費米為首的一批美國科學家建造了第一座原子反應堆，人們利用原子能的時代從此開始。

1954年11月28日費米因胃癌逝世于美國的芝加哥，年僅53歲。為紀念他，第100號元素以他的名字命名為鐨。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8132.核裂變的發(fā)現：

1934年，當費米小組用中子轟擊鈾23892U時，得到了半衰期為13分鐘的一種放射性產物。經分析它不屬于鉛-鈾之間的重元素。1934年5月費米在《Nature》上發(fā)表了一篇短文《原子序數高于92的元素可能生成》，報道了可能是一種“超鈾”元素93。在隨后的4-5年里，人們又陸續(xù)“發(fā)現”了超鈾元素94、95、96和97號“超鈾”新元素。其實，這就是最早出現的重核裂變現象。在“超鈾”元素的的研究中，德國和法國的科學家按照已知核反應規(guī)律，認為：當中子轟擊原子核時，原子序數將增1，產生一新元素。但德國女化學家諾達克夫人(T.Noddack)卻提出不同看法，她認為：“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，而不是被輻照元素的近鄰”。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威哈恩認為諾達克夫人的觀點“純粹是謬論”。第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8141938年，伊倫-居里和南斯拉夫的沙維奇(P.Savitch)進行了有關“超鈾”元素的分離和分析實驗。他們用中子轟擊鈾，產生了半衰期為3.5小時的放射性元素，其性質接近鑭（鑭原子序數為57，后證實是鑭-141），于同年5月將實驗結果發(fā)表在《科學院通訊》上。由于產生的放射性元素同鈾和“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。當時德國化學家哈恩及猶太血統的奧地利女化學家邁特納(L.Meitner)也正在從事放射性研究?？吹揭羵?居里的文章后認為他們一定是搞錯了，于是立即重復了居里的實驗，結果證實了伊倫-居里和沙維奇的結果。亦即肯定在中子轟擊重核時確有中間元素（鑭和鋇）產生。1939年1月，德國《自然科學》雜志上發(fā)表了哈恩和斯特拉斯曼的實驗結果。哈恩寫信將結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。邁特納和她的侄子弗里胥(O.Frisch，1934年流亡國外，在玻爾理論物理研究所工作)對哈恩的結果進行了討論。弗里胥在玻爾“液滴核模型”的啟發(fā)下，想到：如果核被中子擊中第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-815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玻爾。玻爾聽了十分高興，驚呼：“正應該如此”。于是弗里胥和邁特納隨即聯名寫文章，論證重核分裂的產生。重核裂變的現象終于真相大白。“裂變(fission)”一詞也由此產生。3.鏈式反應：重核裂變一經證實，人們立即轉向由此可能釋放的核能。許多實驗證實了理論預期的能量，但是要利用這一巨大能量，必要條件是有可能產生自持的鏈式反應。約里奧和他的同事們首先提出了“中子過剩”問題：輕核中子和質子數近于相等，中等核中子數略多，重核中子數比質子數大的多。因此重核分裂成兩個較輕核時，必然出現中子過剩。如果過剩的中子又去轟擊重核，連鎖反應即可發(fā)生。費米小組證明鈾核每次裂變平均可產生2個中子。他們選擇鈾235核石墨做實驗。并在軍方的支持下開始了曼哈頓工程。第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-816第一座原子反應堆1941年12月開始，費米選擇了芝加哥大學的一座運動場的看臺下做為實驗區(qū)，開始了核反應實驗。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。二是嚴格控制核裂變的反應速度。最后選擇了鎘來吸收中子，以控制核裂變速度。設計方案為將反應堆作成立方點陣形式，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，自持的鏈式反應產生了，得到的功率為0.5瓦。人類第一次實現了原子能的可控釋放。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:“意大利航海家登上了新大陸”。從此開始了原子能利用的新紀元。第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-817原子核物理學的興起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式反應。美國動用了大量人力、物力，集結了世界大量的科學人才。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。被炸后的廣島杜魯門政府決定用原子彈征服死不投降的日本。1945年8月6日第一枚原子彈投在廣島，8月9日又在長崎投了第二顆，廣島死78,150人，長崎死23,700人。第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-818原子核物理學的興起氫彈

前蘇聯于1949年2月22日，爆炸了第一顆原子彈。英國于1952年10月3日、法國于1960年2月13日、中國于1964年10月16日，分別爆炸了第一顆原子彈。氫彈

繼原子彈后，又制造了威懾能力更大的氫彈。我國政府提出了不首先使用核武器倡議，并在1996年宣布停止核試驗。全世界現已擁有核彈頭5萬多個，相當于廣島原子彈的100萬倍。第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8194.核能的應用1)原子能發(fā)電站

1954年6月27日，前蘇聯在莫斯科附近首先建成，現已有40多個國家擁有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，核電站還具有由運行安全，環(huán)境污染小等優(yōu)點，所以已經在美、法、日、德、俄等國廣泛采用。2)用于農業(yè)螺旋蟲曾在美國南部和墨西哥肆虐，能在家畜中產卵，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，18個月內，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。原子核物理學的興起第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-820原子核物理學的興起5.核物理的發(fā)展

一方面表現為向凝聚態(tài)物理、天體物理和核技術應用發(fā)展，另一方面為核物理自身的發(fā)展，對核的研究，已從低激發(fā)態(tài)到研究高激發(fā)態(tài)和高自旋態(tài)，核物理學的發(fā)展和應用仍舊有著廣闊的前景。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-821第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-822五正電子的發(fā)現安德遜(C.D.Anderson)：美國加州理工學院密立根教授的學生，1930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，在云室中安有幾塊金屬板，粒子穿過金屬板，就可區(qū)別其能量。1932年8月2日，安德遜在照片中發(fā)現一條奇特的徑跡，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，又不可能是質子。于是他果斷得出結論：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獎。當時他并不了解狄拉克的電子理論，也不知道狄拉克預言過正電子的存在。1928年，狄拉克從相對論和量子力學的一般原理出發(fā)，建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解，其中兩個正解分別對應正能態(tài)的電子的兩個自旋態(tài)。狄拉克預言，另兩個解應對應于電子負能態(tài)的“空穴”------即反電子。第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-823六中微子的發(fā)現1.中微子概念的提出：中微子概念的提出，與原子核的β衰變有直接聯系。1914年查德威克證明α射線和γ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)末態(tài)的能量差相等。然而，β射線的能譜是連續(xù)的。也就是說，β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？1930年泡利提出：“只有假定在β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，使中子和電子的能量之和為常數，才能解釋連續(xù)β譜?！边@里泡利指的中子即是中微子。費米接受了泡利的假說，并于1934年提出弱相互作用的β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)時產生的那樣，電子和中微子是在β衰變中產生的。β-衰變的本質是核內一個中子變?yōu)橐粋€質子；第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-824β+衰變是一個質子變?yōu)橐粋€中子。質子和中子可以看作是一個核子的兩個不同狀態(tài)，因此質子和中子之間的轉變，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子和中微子。他們事先并不存在于核內，導致產生光子的是電磁相互作用，導致產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)現的發(fā)射正電子的人工放射性。同年，維克(G.C.Wick)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：P→n+e++νe；他還預言可能會有軌道電子的俘獲過程，這個過程于1938年被阿爾瓦雷茲(L.W.Alvarez)觀察到。2.中微子的間接驗證：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，所以中微子的探測十分困難。1941年，我國物理學家王金昌首先提出了一個間接探測中微子的方法。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-825他指出：“當一個β+放射性原子不是放射一個正電子，而是俘獲一個Ｋ層電子時，反應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可以忽略不計。因此，只要測量反應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量和能量。而且由于沒有連續(xù)的β射線被放射出來，這種反沖效應對所有的原子都是相同的。”1942年，美國物理學家艾倫(J.S.Allen)按上述方案進行了測量，取得了肯定的結果，但未完全成功。1952年又重新進行了實驗，測出了原子的反沖能。帶維斯(R.Davis)也成功地重復了艾倫1942年的實驗。這樣，通過間接的實驗證實了中微子的存在。3.中微子的直接檢測：在核反應中，中微子的發(fā)射數量級極大，通過對核裂變產物的探測，有可能確證中微子的存在。1956年，洛斯·阿拉莫斯實驗室的美國物理學家柯恩(C.Cowan)核萊因斯(F.Reines)首先在核反應堆中檢測到。第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-826他們設計了一個規(guī)模巨大的實驗方案，他們研究下面反應過程通過探測出反應產物：正電子e+和中子n，并測出確切的反中微子與質子p的反應截面，就可以證明反中微子的存在。通過艱苦的工作，他們終于在1956年宣布實驗結果與理論預期相符。4.中微子的研究進展：1962年，美國的施瓦茨(M.Schwartz)等人通過加速器進行實驗，又證實了兩種不同的中微子νeνμ；70年代中期，美國的佩爾(M.L.Perl)小組在APEAR的正負電子對撞機中又發(fā)現了另外兩種中微子—ντ和反ντ。至此，中微子就有了六個且只有六個：。5.中微子的質量：對中微子的質量是否為零，一直存在質疑，原因有兩個方面：①若中微子的質量不為零，存在中微子振蕩，則太陽中微子失蹤之謎就揭開了；②有關暗物質問題。天體當中有些物質看不見，但存在，稱為暗物質。暗物質是什么?第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-827可能是黑洞、死星、宇宙塵埃或某種氣體等，已經知道暗物質不是由重子組成，若中微子質量不為零，則可能中微子是其組成之一。到目前為止，中微子質量的測量仍在繼續(xù)中，但實驗檢測只能減小中微子質量的上限，如目前已經測量到：第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-828七介子理論的建立

在原子核性質的研究過程中，人們逐漸明確了核力與核子是否帶電無關，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。這種力遠比電荷間的電磁相互作用強大，因此不能簡單的歸結為電磁相互作用，而是一種強相互作用。1.湯川的預言：1935年，日本物理學家湯川秀樹(H.Yukawa)提出介子理論，用于解釋強相互作用。他認為，核子之間是通過交換一種可稱為介子(meson)的粒子發(fā)生相互作用。并根據核力的作用范圍，估算出介子的靜止質量約為電子的二百多倍。1949年獲得諾貝爾物理學獎。2.介子的發(fā)現：1937年安德森核尼德邁耶(S.H.Neddemeyer)在宇宙射線的研究中發(fā)現了質量約為電子的207倍的新粒子，稱為μ介子。但由于μ介子與原子核的相互作用很弱，不可能是湯川所預言的介子。1947年，英國物理學家鮑威爾(C.F.Powell)用核乳膠技術探測宇宙射線，發(fā)現了另一種粒子，質量為電子的273倍，稱為π介子。π介子才是湯川預言的介子。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-829八奇異粒子的研究1.發(fā)現：1947年，在宇宙射線的研究中，羅切斯特(G.D.Roechester)和巴特勒(C.C.Butler)首先在曼徹斯特大學用云室觀察到了奇異的“V”型事件：如右圖示，虛線表示電中性粒子V0，實線為帶電粒子。根據他們在磁場中的偏轉曲率和電離密度，可知V0的產物是p和π-。1954年，在美國布魯克海汶實驗室，3GeV同步質子加速器投入使用，開始實現了人工產生“V”型粒子，這些粒子的性質才得以研究。由于這些粒子有自己奇特的性質，所以稱為奇異粒子。比核子重的奇異粒子又稱超子，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。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8302.奇異粒子的兩個特性：①協同產生、非協同衰變：即在碰撞過程中，它們總是同時產生，可是衰變時卻獨立的進行，最終成為普通粒子；②快產生，慢衰變（強產生，弱衰變）。奇異粒子的產生過程是強相互作用過程，截面很大，碰撞的時間量級為10-24S，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。1953年，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和西島(NiShijima)用一新的量子數—奇異數來表示這一特性，并假定在強相互作用中奇異數守恒，而在弱相互作用中奇異數可以不守恒，從而解釋了奇異粒子的協同產生非協同衰變的實驗事實。3.θ-τ疑難：當時對最輕的奇異粒子（現在稱為K介子）的衰變過程發(fā)現了一個疑難：質量、壽命、電荷都相同的兩種粒子--θ介子和τ介子，衰變時，θ衰變?yōu)閮蓚€π介子，它們的宇稱為正；τ衰變?yōu)?個π介子，它們的宇稱則為負。也就是說θ粒子與τ粒子衰變時，表現出具有完全相反的宇稱。鑒于質量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應為同一種，但從其衰變行為看，如果宇稱守恒，則θ和τ就不可能是同一種粒子。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-831

1956年的夏天，楊振寧與李政道一起，查閱了當時已有的關于“宇稱守恒”這個概念的實驗基礎以后，指出：這一疑難的關鍵在于人們認為微觀粒子的在運動過程種宇稱守恒，強相互作用和電磁相互作用的過程中，宇稱守恒是經過實驗檢驗的，但在弱相互作用過程中，宇稱并沒有得到判決性的檢驗，沒有根據說它一定守恒。如果“宇稱守恒”在弱相互作用中并不成立，那么“宇稱”的概念就不能應用在θ粒子和τ粒子的衰變機制中。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，他們還建議可以用β衰變等實驗來檢驗他們的推測。幾個月后，哥倫比亞大學美籍華裔吳健雄教授與美國華盛頓國家標準局的四位物理工作者一起，用鈷60的衰變實驗證實了在這種β衰變過程中宇稱確實不守恒。此后還有其他的實驗也證實這個結論的正確性。于是，在弱相互作用下的宇稱守恒原理，終于被推翻了。楊振寧與李政道因此共同獲得1957年諾貝爾物理獎。同年獲得愛因斯坦科學獎。第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-832粒子物理學的發(fā)展楊振寧李政道第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-833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，宇稱不一定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一種粒子。粒子物理學的發(fā)展第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-834吳健雄的實驗驗證吳健雄做了極化鈷60原子核β衰變實驗，將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場內，實驗說明了β衰變規(guī)律宇稱不守恒，使楊、李的觀點得到了驗證，打破了人們的傳統觀念。吳健雄粒子物理學的發(fā)展第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-835九粒子的分類

在粒子物理學的發(fā)展過程中，提出過不同的分類方案，如①早期按粒子的質量分類：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：反粒子的質量、壽命、自旋等與粒子相同，而電荷等相加性量子數與粒子異號。首先從理論上預言反粒子存在的人，是英國人狄拉克。25歲時狄拉克對量子力學就做出了令人矚目的貢獻。此后他致力于建立相對論性電子理論。終于他提出了著名的狄拉克方程。該方程不僅簡潔、優(yōu)美，而且還能解出實驗的自旋值和磁矩值，精細結構，將量子力學中的康普頓散射、塞曼效應等事實，通過相對論電子理論統一起來。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8361955年賽格雷、張伯倫在高能加速器上獲得了反質子。1956年發(fā)現反中子。1959年，我國科學家王淦昌發(fā)現了反西格馬負超子（）。人們又開始想到能否用反質子、反中子、正電子，組成一個反原子。1995年開始，歐洲粒子研究中心的科學家，在(LEAR)低能反質子環(huán)中，產生了9個反氫原子，雖然它們存在的時間僅為三億分之四秒，但是，卻將人們對物質的認知領域大大擴展了。粒子物理學的發(fā)展賽格雷像第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-837張伯倫像粒子物理學的發(fā)展第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-838現在公認的科學分類方法是按粒子參與相互作用的類型來分。粒子共參與四種相互作用：強相互作用、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，所以是費米子；輕子必定以粒子與反粒子對的形式生成湮滅。電子等6種是輕子，加上它們的反粒子，輕子共12種。②強子：直接參與強相互作用的粒子統稱為強子，強子也參與弱作用，帶電強子也參與電磁相互作用。強子又分為介子和重子兩類：自旋為整數或零的稱為介子，如π、K、Η等；自旋為半整數的稱為重子，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，傳遞強作用的膠子。膠子至今未發(fā)現。規(guī)范玻色子都是玻色子。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-839十強子結構和夸克理論1.坂田模型最早提出強子結構模型的是費米和楊振寧，1949年他們提出，π介子是由核子（質子、中子）和它們的反粒子（反質子和反中子）組成。由于當時反質子和反中子尚未發(fā)現，所以，這一模型的提出需要一定的知識積累和膽識。1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：強子都是由質子、中子和Λ超子以及它們的反粒子組成。這些粒子稱為基礎粒子。2.八重法1961年，美國物理學家蓋爾曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)對稱性對強子進行分類的“八重法”。這一方法概括了當時已經發(fā)現的大量粒子，并預言了Ω-1粒子的存在。這一預言于1964年被實驗證實。第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8403.夸克理論1964年蓋爾曼進一步提出假設，即作為SU(3)群的物理基礎的三重態(tài)，不僅僅是某種數學框架，而是三種不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)。并提出強子結構的“夸克”模型：他認為夸克是自然界中更基本的組成粒子，所有強子都是由三種夸克和它們的反粒子組成?？淇诵再|：①夸克必須是費米子。因為費米子可以構成費米子，也可以構成玻色子；而玻色子只能構成玻色子，不能構成費米子。②夸克具有分數電荷。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)。這些色荷決定夸克參與強相互作用的強弱程度。標準模型：中子由2個下夸克和1個上夸克構成，寫作(udd)；質子則由2上夸克和1下夸克構成，記為(uud)。在強子內部，夸克通過膠子傳遞強相互作用。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）。第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-841粒子物理學的發(fā)展蓋爾曼像由于夸克模型能夠成功的解釋許多已知事實，把極為復雜的事情變得非常簡單，而且在說明強子分類和質量譜等方面非常成功，所以這一模型為大多數人所接受。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學獎。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-842J/ψ粒子是自旋為1的玻色子，質量很大，比質子質量還大3倍多。它的電荷是2e/3；但壽命卻出奇的長，達到10-20秒，是類似能量的典型強子的1000多倍。為了說明J/ψ粒子的性質，人們提出了一種新的夸克---桀夸克（c夸克）。J/ψ粒子是由一個桀夸克和一個反桀夸克組成的束縛態(tài)。4.桀夸克的發(fā)現1974年8月，丁肇中領導的研究小組，在布魯克海文實驗室的質子加速器（能量為3.3×1010eV）上發(fā)現了一個新粒子，將其命名為“J”，并于11月份宣布。同時在美國西海岸的斯坦福大學直線加速器中心的里克特小組也發(fā)現了類似的粒子，并將其命名為“ψ”。因此，這個粒子就命名為“J/ψ”。不久在意大利和德國的加速器上也相繼觀察到這個粒子。為此，丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學獎。里克特第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8435.底夸克(b)和頂夸克(t)根據基本粒子的發(fā)現歷史，可將夸克分為三代，第一代夸克為上夸克和下夸克(u、d)；第二代為奇異夸克和桀夸克(s、c)。從20世紀70年代，人們開始尋找第三代夸克---底夸克(b)和頂夸克(t)。1984年，歐洲核子中心（CERN）發(fā)現了頂夸克的痕跡。但真正找到它們卻非常困難。1992年5月，費米實驗室利用Tevatron對撞機(加速器長6.4公里)尋找頂夸克，參加實驗的是兩個國際性合作組：CDF和D0，共800多人。1994年終于觀察到頂夸克的實驗證據，并測定了其質量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是質子質量的180多倍，是最輕的上夸克的30000多倍，大大出乎人們的預料。在標準模型中，質量認作為一個基本常數，它是根據實驗數據，人為的加到理論中去的。但為什么夸克有三代的劃分？三代間的質量為什么相差懸殊？有沒有第四代？是什么因素決定了它們的質量的大小等等問題都在等待答案。第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-8446.夸克囚禁

在目前的認識水平上，夸克是最小的物質粒子，在構成強子時，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，介子由一個夸克和一個反夸克構成，重子由三個夸克構成。這些正反夸克之間的相互作用是通過交換膠子來完成的。約束核子在原子核內的力是核力，約束夸克在重子和介子內的力是“色力”。不同的是核力對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非常困難。但是色力卻使夸克不可跨越，從實驗情況看，人們從未發(fā)現單個、自由的夸克，只有2個或3個夸克的集合體才能處于自由狀態(tài)，通常情況下，夸克總是被約束在質子和中子內部?？淇艘獩_破色力的束縛成為自由夸克幾乎是不可能的。這種現象稱作“夸克囚禁”。但與此同時，粒子加速器上的實驗，卻顯示質子中的夸克粒子間，好像并沒有相互作用力。這是當時科學研究無法完全解釋的問題。只有了解夸克之間的相互作用力的性質，才有可能得到單個的自由夸克，從而解決這個難題。第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2004-12-845“弦”模型：關于“夸克囚禁”，意大利和美國物理學家曾提出“弦”模型來解釋。1968年，意大利的維尼基亞諾(Vineziano)找到了一個與量子場論無關的函數，它能很好的描述強子的許多特征。但如果用這個函數描述粒子的性質，粒子將等效成一根一維弦。這意味著粒子的點狀結構將被一根“弦”來代替。最初引用“弦”概念的是美國加州理工學院的許瓦茲(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。由于舊弦理論存