第十章原子核及粒子物理學(xué)的發(fā)展

1、2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院1第十章 原子核及粒子物理學(xué)的興起1. 原子核結(jié)構(gòu)的探索一 人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)二 中子的發(fā)現(xiàn)一二三四五六正電子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)介子理論的建立奇異粒子的研究粒子的分類強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和夸克理論三 人工放射性的發(fā)現(xiàn)2.核裂變的發(fā)現(xiàn) -慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)3.核聚變的發(fā)現(xiàn) -氫彈4.各種基本粒子的發(fā)現(xiàn)5.弱電統(tǒng)一理論的建立2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2原子核物理學(xué)的興起能、核技術(shù)應(yīng)用等有關(guān)物理問(wèn)題的學(xué)科，簡(jiǎn)稱核物理，屬于當(dāng)代物理學(xué)的前沿。關(guān)于原子核物理學(xué)及粒子物理原子核物理學(xué)是研究核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律、以及核粒

2、子物理 (高能物理)是研究場(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，也是研究粒子內(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)及粒子物理的工作實(shí)驗(yàn)研究方法:主要是通過(guò)高能粒子的相互碰撞，用實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300多種。采用的試驗(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)。理論基礎(chǔ)是量子場(chǎng)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31. 原子核結(jié)構(gòu)的探索一、人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1914年盧瑟福的學(xué)生馬斯登在觀察粒子在空氣中的射程時(shí)注意到，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)

3、驗(yàn)證和思考，盧瑟福認(rèn)為，這是空氣中的氫離子受到粒子的撞擊所致。因?yàn)榱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許多。在上述現(xiàn)象啟發(fā)下，從1917年開(kāi)始，盧瑟福進(jìn)行了粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn)。裝置如右圖。A為射線源，可前后移動(dòng)，利用顯微鏡M觀察透過(guò)窗口F在熒光屏S上的閃爍。當(dāng)從閥T 充入氮?dú)?，放射源A距觀察屏 S 的距離超過(guò)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。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(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于判定是氮原子在粒子的轟擊下發(fā)生了核嬗變：從氮核中釋放出了氫核（質(zhì)子）。粒子轟擊氮核的反應(yīng)過(guò)程：14N7+4He217O8+1

4、H1確定粒子的性質(zhì)：在實(shí)驗(yàn)裝置里加進(jìn)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，根據(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)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的布拉凱特在充滿氮的云室里做了粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)，并拍攝了兩萬(wàn)多張?jiān)剖业恼掌?，終于從40多萬(wàn)條粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)有8條產(chǎn)生了分叉。從而證實(shí)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)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(lái)，可見(jiàn)質(zhì)子是原子核的組成部分。2004-12-82004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院5二 中子n的發(fā)現(xiàn)1.盧瑟福的預(yù)言：質(zhì)子發(fā)現(xiàn)以后，人們認(rèn)為原子核是

5、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(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”。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院62.中子發(fā)現(xiàn)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)用天然放射性元素Po(釙)放出的粒子轟擊鈹Be，發(fā)現(xiàn)從鈹放射出一種穿透能力極強(qiáng)的射線。且這種射

6、線在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中都不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們認(rèn)為是高能量的射線。1932年1月，法國(guó)物理學(xué)家約里奧-居里夫婦重復(fù)了博特和貝克爾的實(shí)驗(yàn)，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(lái)。約里奧-居里夫婦把這種現(xiàn)象當(dāng)成是一種強(qiáng)射線造成的“康普頓效應(yīng)”。錯(cuò)失發(fā)現(xiàn)中子的良機(jī)。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院73.查德威克的發(fā)現(xiàn)：查德威克當(dāng)時(shí)正在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室作放射性研究。他用這種射線先后照射輕重不同的幾種元素，發(fā)現(xiàn)這種射線與通常的射線性質(zhì)有所不同：通常射線照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)密度越大，對(duì)射線的吸收越厲害，而這種射線剛好相反。且用它轟擊輕原子核時(shí)，竟然能被彈回來(lái)。說(shuō)明這種射線是具有一定質(zhì)量的中

7、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。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院8原子核物理學(xué)的興起查德威克4.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?cè)诤宋锢淼难芯恐?，擁有了一顆威力無(wú)比的新武器，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)言與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象密切結(jié)合，抓住機(jī)遇的結(jié)果。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院9原

8、子核物理學(xué)的興起伊倫娜居里和約里奧居里30P30Si2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院10三 人工放射性的發(fā)現(xiàn)1934年1月，約里奧-居里夫婦用粒子轟擊鋁，發(fā)現(xiàn)撤走放射源后，還可檢測(cè)到放射性?；瘜W(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)衰變放出正電子,變成穩(wěn)定元素硅:1514+ 0e1他們又用粒子轟擊硼和鎂，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(xiàn)而獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。也為核物理的研究及原子能利用開(kāi)辟了道路。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院11后來(lái)人們發(fā)

9、現(xiàn)，用粒子轟擊輕元素能夠得到放射性同位素，但用粒子轟擊重元素，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，與粒子的庫(kù)侖斥力很難讓粒子產(chǎn)生轟擊效果。所以他選用中子作實(shí)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)比粒子或質(zhì)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122. 核裂變的發(fā)現(xiàn)-慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)現(xiàn)1.慢中子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：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)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(fèi)米建議他們

10、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。再放到水下做實(shí)驗(yàn)，證實(shí)水也有類似作用。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凶哟蟠笤鰪?qiáng)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應(yīng)的發(fā)現(xiàn)看作是“核時(shí)代的起點(diǎn)”。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院13費(fèi)米簡(jiǎn)介：美籍意大利物理學(xué)家，1901年出生于羅馬。17歲進(jìn)入比薩大學(xué)，以X射線的專題論文獲得博士學(xué)

11、位。之后赴德國(guó)格丁根大學(xué)，拜玻恩為師，1924年回意大利佛羅倫薩大學(xué)任教，并因在理論物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)引起世界范圍的注意。1926年，任羅馬大學(xué)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年提出衰變理論。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(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)，在哥倫比亞大學(xué)任教。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)研究中，同時(shí)

12、預(yù)見(jiàn)到制造原子武器的危險(xiǎn)。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院14當(dāng)時(shí)德國(guó)的核裂變也已實(shí)驗(yàn)成功，他們非常擔(dān)心德國(guó)首先用以制造原子彈。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美國(guó)總統(tǒng)羅斯福，提醒政府要切實(shí)注意德國(guó)的動(dòng)向和已出現(xiàn)的危險(xiǎn)，建議盡一切力量要趕在德國(guó)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(zhuǎn)到羅斯福手中，他立即下令成立鈾礦顧問(wèn)委員會(huì)，并撥了研究經(jīng)費(fèi)，1941年12月6日，日本偷襲珍珠港的前一天批準(zhǔn)了制造原子彈的龐大工程計(jì)劃。為保密而取名“曼哈頓計(jì)劃”。1942年12月2日，以費(fèi)米為首的一批美國(guó)科學(xué)家建造了第一座原子反

13、應(yīng)堆，人們利用原子能的時(shí)代從此開(kāi)始。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。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院152004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院161934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。按照已知核反應(yīng)規(guī)律，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。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，人們又陸續(xù)“發(fā)現(xiàn)”了超鈾

14、元素94、95、96和97號(hào)“超鈾”新元素。但德國(guó)女化學(xué)家諾達(dá)克夫人(T.Noddack)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”。但這一觀點(diǎn)沒(méi)有引起費(fèi)米等人的注意，甚至當(dāng)時(shí)的放射性權(quán)威哈恩認(rèn)為諾達(dá)克夫人的觀點(diǎn)“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171938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”元素的分離和分析實(shí)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，后證實(shí)是鑭-141），于同年5月將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在

15、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，于是放棄了實(shí)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)也正在從事放射性研究?？吹揭羵?居里的文章后認(rèn)為他們一定是搞錯(cuò)了，于是立即重復(fù)了居里的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)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(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實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院18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。邁特納和她的侄子弗里胥(O.Frisch，1934年流亡國(guó)

16、外，在玻爾理論物理研究所工作)對(duì)哈恩的結(jié)果進(jìn)行了討論。弗里胥在玻爾“液滴核模型”的啟發(fā)下，想到：如果核被中子擊中也許會(huì)以巨大的能量分裂。幾天后，弗里胥回到哥本哈根，將自己的想法告訴了玻爾。玻爾聽(tīng)了十分高興，驚呼：“正應(yīng)該如此”。于是弗里胥和邁特納隨即聯(lián)名寫文章，論證重核分裂的產(chǎn)生。重核裂變的現(xiàn)象終于真相大白?！傲炎?fission)”一詞也由此產(chǎn)生。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院192.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)重核裂變一經(jīng)證實(shí)，人們立即轉(zhuǎn)向由此可能釋放的核能。許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)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?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

17、：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)，必然出現(xiàn)中子過(guò)剩。如果過(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與石墨做實(shí)驗(yàn)。并在軍方的支持下開(kāi)始了曼哈頓工程。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院203. 第一座原子反應(yīng)堆1941年12月開(kāi)始，費(fèi)米選擇了芝加哥大學(xué)的一座運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的看臺(tái)下做為實(shí)驗(yàn)區(qū)，開(kāi)始了核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。但有兩個(gè)問(wèn)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(duì)中子減速太快，且有很強(qiáng)的吸收；最后選擇石墨作為中子減

18、速劑。二是嚴(yán)格控制核裂變的反應(yīng)速度。最后選擇了鎘來(lái)吸收中子，以控制核裂變速度。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)。次日抽出控制用的鎘棒，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)研究委員會(huì)主席通話說(shuō):“意大利航海家登上了新大陸” 。從此開(kāi)始了原子能利用的新紀(jì)元。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院21原子核物理學(xué)的興起4. 原子彈原子彈利用的是沒(méi)有催化劑且不加以控制的原子核裂變鏈?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)

19、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，放置原子彈的鋼塔頓時(shí)化成了氣體。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(zhǎng)崎投了第二顆，廣島死78,150人，長(zhǎng)崎死23,700人。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。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院22原子核物理學(xué)的興起5. 核能的應(yīng)用1)原子能發(fā)電站1954年6月27日，前蘇聯(lián)在莫斯科附近首先

20、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)行安全，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)廣泛采用。2)用于農(nóng)業(yè)螺旋蟲曾在美國(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，將螺旋蟲用核輻射處理，使之無(wú)生育能力，但能交配，18個(gè)月內(nèi)，每星期播放5千萬(wàn)只這樣的蟲子，整個(gè)地區(qū)螺旋蟲被消滅。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院23原子核物理學(xué)的興起3.核聚變的發(fā)現(xiàn)-氫彈繼原子彈后，又制造了威懾能力更大的氫彈。我國(guó)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

21、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。氫彈2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院244. 各種基本粒子的發(fā)現(xiàn)一 正電子的發(fā)現(xiàn)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)用云室觀測(cè)宇宙射線。云室置于磁場(chǎng)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(guò)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(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。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1936年的餓諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)他并不

22、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)的一般原理出發(fā)，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。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院25二 中微子的發(fā)現(xiàn)1.中微子概念的提出：中微子概念的提出，與原子核的衰變有直接聯(lián)系。1914年查德威克證明射線和射線的能譜是分立的，在衰變中發(fā)射的粒子所帶走的能量正好與原子核初態(tài)末態(tài)的能量差相等。但是，射線的能譜是連續(xù)的。也就是說(shuō)，衰變發(fā)射出來(lái)的電子能量從零到最大值都有分布。

23、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（稱之為中子）一起被發(fā)射出來(lái)，使“中子”和電子的能量之和為常數(shù)，才能解釋連續(xù)譜。”這里泡利指的“中子”即是中微子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院26費(fèi)米接受了泡利的假說(shuō)，并于1934年提出弱相互作用的衰變理論。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，電子和中微子是在衰變中產(chǎn)生的。-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子；+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

24、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。+衰變就是約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)的發(fā)射正電子的人工放射性。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院272.中微子的間接驗(yàn)證：中微子不帶電，只參與弱相互作用，且穿透能力極強(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)十分困難。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。他指出：“當(dāng)一個(gè)+放射性原子不是放射一個(gè)正電子，而是俘獲一個(gè)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

25、放出的中微子。原子核外電子的效應(yīng)可以忽略不計(jì)。因此，只要測(cè)量反應(yīng)后原子的反沖能量和動(dòng)量，就很容易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)的射線被放射出來(lái)，這種反沖效應(yīng)對(duì)所有的原子都是相同的?！?942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，取得了肯定的結(jié)果，但未完全成功。1952年又重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)出了原子的反沖能。戴維斯(R.Davis)也成功地重復(fù)了艾倫1942年的實(shí)驗(yàn)。這樣，通過(guò)間接的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子的存在。 + p e + n2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院283.中微子的直接檢測(cè)：在核反應(yīng)中，中微子的發(fā)射數(shù)量級(jí)極大，通過(guò)對(duì)核裂變產(chǎn)物的

26、探測(cè)，有可能確證中微子的存在。1956年，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)物理學(xué)家柯恩(C.Cowan)和萊因斯(F.Reines)首先在核反應(yīng)堆中檢測(cè)到。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)規(guī)模巨大的實(shí)驗(yàn)方案，他們研究下面反應(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)出確切的反中微子與質(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，他們終于在1956年宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期相符。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院29 4.中微子的研究進(jìn)展：1962年，美國(guó)的施瓦茨(M.Schwartz)等人通過(guò)加速器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又證實(shí)了兩種不同的中微子e；70年代中期，美國(guó)的佩爾(M.L.Perl)小

27、組在APEAR的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中又發(fā)現(xiàn)了另外兩種中微子和反。至此，中微子就有了六個(gè)且只有六個(gè)： e、e、 、 、 、2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院305.中微子的質(zhì)量：對(duì)中微子的質(zhì)量是否為零，一直存在質(zhì)疑，原因有兩個(gè)方面：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；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，稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是什么? 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成之一。m v 10eV ,m 0.25 MeV ,m 84 MeV到目前為止，中微子質(zhì)量的測(cè)量仍在繼續(xù)中，

28、但實(shí)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：2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院31三 介子理論的建立在原子核性質(zhì)的研究過(guò)程中，人們逐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)單的歸結(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(H.Yukawa)提出介子理論，用于解釋強(qiáng)相互作用。他認(rèn)為，核子之間是通過(guò)交換一種可稱為介子(meson)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。1949年獲得諾貝爾物

29、理學(xué)獎(jiǎng)。2.介子的發(fā)現(xiàn)：1937年安德森和尼德邁耶(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207倍的新粒子，稱為介子。但由于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。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，發(fā)現(xiàn)了另一種粒子，質(zhì)量為電子的273倍，稱為介子。 介子才是湯川預(yù)言的介子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院32四 奇異粒子的研究1.發(fā)現(xiàn)：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(xué)用云室觀察到了奇異的“V”型事件：

30、如右圖示，虛線表示電中性粒子V0，實(shí)線為帶電粒子。根據(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-。1954年，在美國(guó)布魯克海汶實(shí)驗(yàn)室，3GeV同步質(zhì)子加速器投入使用，開(kāi)始實(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、+、0、-、0、-等，表示為V01；比核子輕又比介子重的介子則用V02表示，如K+、K0、K-、等。東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 33變行為看，如果宇稱守 可能是同一種粒子。2004-12-8 山2.奇異粒子的兩個(gè)特性：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

31、變時(shí)卻獨(dú)立的進(jìn)行，最終成為普通粒子；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，從而解釋了奇異粒子的協(xié)同產(chǎn)生非協(xié)同衰變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。3.-疑難：當(dāng)時(shí)對(duì)最輕的奇異粒子（現(xiàn)在稱為K介子）的衰變過(guò)程發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑難：質(zhì)量、壽命、電荷都相同的兩種粒子-介子和介子，衰變時(shí)，衰變?yōu)?/p>

32、兩個(gè)介子，它們的宇稱為正；衰變?yōu)?個(gè)介子，它們的宇稱則為負(fù)。也就是說(shuō)粒子與粒子衰變時(shí)，表現(xiàn)出具有完全相反的宇稱。鑒于質(zhì)量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應(yīng)為同一種，但從其衰恒，則和就不2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院341956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“宇稱守恒”這個(gè)概念的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)以后，指出：這一疑難的關(guān)鍵在于人們認(rèn)為微觀粒子的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程種宇稱守恒，強(qiáng)相互作用和電磁相互作用的過(guò)程中，宇稱守恒是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的，但在弱相互作用過(guò)程中，宇稱并沒(méi)有得到判決性的檢驗(yàn)，沒(méi)有根據(jù)說(shuō)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(yīng)用在粒子和

33、粒子的衰變機(jī)制中。這樣，粒子與粒子就可以是同一種粒子， -疑難即可迎刃而解。與此同時(shí)，他們還建議可以用衰變等實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)他們的推測(cè)。幾個(gè)月后，哥倫比亞大學(xué)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的衰變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在這種衰變過(guò)程中宇稱確實(shí)不守恒。此后還有其他的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)這個(gè)結(jié)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(jiǎng)。同年獲得愛(ài)因斯坦科學(xué)獎(jiǎng)。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院35粒子物理學(xué)的發(fā)展李政道楊振寧2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院36粒子物理學(xué)的發(fā)展楊振寧、李政道大

34、膽提出粒子在弱相互作用中，宇稱不一定守恒，粒子和粒子可能是同一種粒子。李政道和楊振寧2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院37粒子物理學(xué)的發(fā)展吳健雄吳健雄的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證吳健雄做了極化鈷60原子核衰變實(shí)驗(yàn)，將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場(chǎng)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了 衰變規(guī)律宇稱不守恒，使楊、李的觀點(diǎn)得到了驗(yàn)證，打破了人們的傳統(tǒng)觀念。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院38五 基本粒子的分類現(xiàn)在公認(rèn)的科學(xué)分類方法是按粒子參與相互作用的類型來(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。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

35、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。強(qiáng)子：直接參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱為強(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：自旋為整數(shù)或零的稱為介子，如、K、等；自旋為半整數(shù)的稱為重子，如p、n、等；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)現(xiàn)。規(guī)范玻色子都是玻色子。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院39六 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)1964年蓋爾曼提出強(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，所有強(qiáng)子都是由三種

36、夸克（上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s) ）和它們的反粒子組成?？淇诵再|(zhì)：夸克必須是費(fèi)米子?？淇司哂蟹?jǐn)?shù)電荷。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(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，寫作(udd)；質(zhì)子則由2個(gè)上夸克和1個(gè)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）。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院40夸克囚禁核子在原子核內(nèi)是通過(guò)核力約束的，而核力對(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非常

37、困難?？淇嗽趶?qiáng)子內(nèi)的約束力是“色力”，但色力卻使夸克不可跨越。從實(shí)驗(yàn)情況看，人們從未發(fā)現(xiàn)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)。通常情況下，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可能的。這種現(xiàn)象稱作“夸克囚禁”。但粒子加速器上的實(shí)驗(yàn)，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，好像并沒(méi)有相互作用力。“弦”模型：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)。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。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院41“漸近自由”理論：1973年，正在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位的維爾切

38、克和其導(dǎo)師格羅斯共同發(fā)表了一篇論文，提出強(qiáng)作用理論中的“漸近自由”理論。同年，正在哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位的波利策也獨(dú)立發(fā)表的一篇論文，提出了同樣的理論。理論認(rèn)為:(1)強(qiáng)作用力會(huì)隨夸克彼此間距離的增加而增大，因此沒(méi)有夸克可以從原子核中向外遷移獲得真正的自由。這些夸克會(huì)永久地被結(jié)合在一起，因此不可能找到單個(gè)的夸克。(2)強(qiáng)作用力會(huì)隨夸克間距離變小而減弱，這就意味著約束在質(zhì)子等內(nèi)部的夸克，在彼此距離足夠小時(shí)，將近乎自由地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了“量子色動(dòng)力學(xué)”(QCD)的誕生，這是一個(gè)關(guān)于強(qiáng)相互作用的理論。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院42這三位美國(guó)科學(xué)家戴維格羅斯、戴維波利策和弗

39、蘭克維爾切克，因發(fā)現(xiàn)粒子強(qiáng)相互作用理論中的漸近自由現(xiàn)象，榮獲2004年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。美國(guó)加州理工學(xué)院的許瓦茲(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。從1979年起，共同致力于弦理論研究。在這個(gè)“弦”模型中，介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的兩端。重子中的三個(gè)夸克則由三個(gè)“弦”連系著。這樣，夸克間的距離越遠(yuǎn)，弦的張力就越大，即色力隨著距離的增大而增大，因此夸克不可能掙脫“弦”的作用而變?yōu)椤白杂煽淇恕??？淇酥荒茉凇跋摇钡目刂葡?，在距離較近時(shí)，獲得“漸進(jìn)自由”。弦有開(kāi)弦和閉弦兩種，弦的線度為普朗克長(zhǎng)度。單弦的每一振動(dòng)模式，都對(duì)應(yīng)一種粒子，粒子間的基本相互作用就是弦的分裂和接合。2004

40、-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院434 弱電統(tǒng)一理論1. 統(tǒng)一場(chǎng)論： 從相互作用是由場(chǎng)（或場(chǎng)的量子）來(lái)傳遞的觀念出發(fā)，統(tǒng)一地描述和揭示基本相互作用的共同本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系的物理理論。2. 四種相互作用： 迄今人類所知的各種物理現(xiàn)象所表現(xiàn)的相互作用，都可歸結(jié)為四種基本相互作用，即強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。3.“宇宙和諧”思想的指引： 闡明自然界各種相互作用的性質(zhì)和規(guī)律，是物理學(xué)基礎(chǔ)研究的一個(gè)極其重要的方面。而追求建立相互作用的統(tǒng)一理論，則是出于對(duì)物質(zhì)世界的和諧統(tǒng)一的堅(jiān)定哲學(xué)信念和要竭力探求事物內(nèi)在本性的頑強(qiáng)欲望。愛(ài)因斯坦把他后半生的精力獻(xiàn)給了這一事業(yè)。在他的深刻思想

41、的影響下，統(tǒng)一場(chǎng)論已成為當(dāng)今物理學(xué)的重要研究方向。4. 早期的（引力電磁）統(tǒng)一場(chǎng)論研究：19世紀(jì)中葉J.C.麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論統(tǒng)一了電的作用和磁的作用；它是歷史上第一個(gè)幾種相互作用的統(tǒng)一理論。20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦破除牛頓引力論中超距作用觀念，把場(chǎng)的觀點(diǎn)引進(jìn)引力理論而創(chuàng)立了廣義相對(duì)論(1916)。其后不久，便出現(xiàn)了以統(tǒng)一引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)為目標(biāo)的統(tǒng)一場(chǎng)論研究熱潮，而當(dāng)時(shí)人類知道的基本相互作用只有引力作用和電磁作用。2004-12-8山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院445. 電弱統(tǒng)一理論unified electro-weak theory電弱統(tǒng)一理論是電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論。描述電磁作用的量子理論是量子電動(dòng)力學(xué)，它是一種規(guī)范理論，可以重正化來(lái)消除其中的發(fā)散困難，以極高的精度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合 ，是物理學(xué)中最成功的理論。光子作為規(guī)范場(chǎng)的量子，靜質(zhì)量為零，自旋為1。20 世紀(jì)50年代末在弱作用宇稱不守