绪论物质探微的发展史

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1、物质探微 从电子到夸克,邢永忠,一点一点地掀开物质世界的神奇面纱,参考教材： 陆埮（tan）罗辽复 编写的 物质探微.从电子到夸克,主要内容有如下几个章节,1、建造世界（物质）的砖石,3、奇异粒子（一批不速之客）,4、镜子理得世界,5、短命的共振子,6、粒子的内部,8、走向统一,2 、粒子物理学的诞生,0、绪论,绪论（上） 探粒子之微,物理学不会停留在原子物理学的层次上。在原子物理学的基本问题获得解决以后，物理学就走向原子核物理学。,一、中子的发现,1930年，居里夫人的女婿和女儿约里奥居里夫妇用高速度的氦核打击铍原子核，发现了一种新的穿透本领极强的射线。 约里奥居里夫妇用高能量的光子即射线来

2、解释，其能量之大，异乎寻常，竟高达4050Mev（电子伏特）之多。 现刀已用于外科手术。,约里奥居里夫妇,查德威克发现中子,卢瑟福的学生，英国物理学家查德威克（J.Chadwick)猜想这可能是中子，因为卢瑟福的氢原子模型中的电子，将最后掉在质子里面，形成和质子质量差不多大小的中子。 1932年，查德威克做了几个实验，证明了这一穿透本领极大的射线，确实是质量比质子略大的、中性的不带电的新粒子，亦即中子。 查德威克因发现中子而获1935年度诺贝尔物理学奖,质子中子原子核,中子的出现立即受到所有核物理学家的欢迎，伊凡宁科（Ivanenko）和海森堡（W.K.Heisenberg）提出了原子核是由质

3、子和中子构成的原子核结构理论。 因为中子的特点是不带电并且和质子具有相同的自旋，这就可用这一模型完满地解释原子核所具有的自旋，解释为什么自然界可以有原子序数相同但质量却不尽相同的同位素。,原子结构示意图,海森堡,中子成为轰击原子核的炮弹,由于中子不带电，中子可以自由地打进任何带电的原子核，物理学家们就得到一种效率更高的打碎原子核的炮弹。 1934年，意大利物理学家费米(E.Fermi)用中子轰击元素周期表中的元素原子，于是，便发现了超轴元素；这一发现被认为是原子时代的真正起点，费米因此而荣获1938年诺贝尔物理学奖。 19381939年，哈恩和迈特纳等人发现了核裂变；接着人们还发现了中子的链式

4、反应； 1942年，费米利用链式反应原理建立了第一个能产生原子能的反应堆。,核裂变,核原应堆,第一颗原子弹的爆炸,1942年，曼哈顿工程：第一颗原子弹的研究工作拉开序幕。 一大批物理学家、工程技术人员在位于美国新墨西哥州一个叫洛斯阿拉莫斯的荒凉高地上秘密进行。美国物理学家奥本海默（J.R.Oppenheimer）任实验室主任。 1945年，原子弹之父奥本海默等人利用中子链式反应爆炸了第一颗原子弹。,日本广岛：一片废墟,放射性,爱因斯坦与奥本海默,比原子弹威力更大的氢弹（泰勒）,氢的核反应,氢弹的爆炸当量在数百万吨TNT炸药,氢弹之父：泰勒,和平卫士,原子弹的威慑力使得全面禁止和彻底销毁核武器，

5、成为当代有关和平和发展问题中国际人士所最为关心的重大国际问题。,中国的原子弹事业的发展,1946年，我国科学家钱三强、何泽慧，发现了轴原子核的三分裂和四分裂的现象。 1964年，我国成功研制了原子弹； 1967年，我国成功研究了氢弹； 成就了中国的大国地位，也缓减了核威慑。,中国原子弹之父：邓家稼,中国氢弹之父：于敏,中国广东大亚湾核电站,二、中微子的发现,1928年，伽莫夫根据量子力学所必然蕴含的势垒穿透效应，满意地解释了粒子的衰变现象。 但是，衰变现象却不易理解。衰变的结果是原子核将增加一个新电荷！如何理解衰变现象？物理学家一筹莫展。,伽莫夫,中子发现以后，海森堡推测，衰变可能是原子核中的

6、中子放出电子后，本身却转变为一个质子的过程。但是，海森堡立即发觉这一想法并不恰当。 因为如果衰变现象中，中子转化为质子和电子的话，那么所释放出的电子的能量一定是确定的，而实验上所测到的电子能量却是连续分布的，这和能量守恒定律相矛盾。 质子、中子、电子也有确定的自旋，所以，中子转化为质子加电子的假说，也和角动量守恒的定律发生冲突。,W.Heisenberg,面对这种理论上的困难，玻尔甚至悲观地认为，在原子核内部，能量守恒定律、角动量守恒定律甚至量子力学可能都不成立！,Niles Bohr,泡利提出中微子假说,1931年，泡利（W.Pauli)提出中微子假说，指出衰变不仅放出一个电子，而且同时放出

7、一个和电子自旋相同、没有静止质量、没有电荷的中性粒子，这就能同时满足能量守恒定律和角动量守恒定律。 中微子的质量既然如此之小，又看不见，摸不着，就产生了一大疑问：这是真的，还是假的？ 中微子的存在，需要实验上的支持。,泡利 WOLFGANG PAULI (1900-1958),实验证明中微子存在！,1941年，我国物理学家王淦昌在浙江大学（那时正值抗日战争，浙江大学搬迁到贵州省遵义市）写了一篇短文，建议用Be7的K层电子的俘获现象来检验中微子的存在性，指出如存在着中微子，那么K俘获后的子核Li7将必然具有能量为57eV的单能的反冲。 可惜的是，由于正值抗日战争时期，物质条件十分困难，王淦昌无法

8、亲自进行这一实验。,实验证明中微子存在！,中微子的存在，不仅在原子核物理的研究中有着重要的意义，而且在宇宙论的研究中，起着十分重要的与基本的作用。,1942年，阿仑按照王淦昌的建议做了这一实验。由于实验上存在不少技术问题，直到1952年，才最后测到Li7的反冲能量是（55.91.0）eV，这和理论预言值（57.30.5）eV符合。“十年磨一剑”，中微子的存在性，才最终得到证明。,三、正电子的发现,薛定谔和海森堡的量子力学是在牛顿力学的基础上，贯彻“波粒二象性”的原则，亦即实现量子化的方案而建立的。 由于狭义相对论的出现，牛顿力学已发展成为相对论的力学，因而量子力学的进一步发展，必然是量子论和狭

9、义相对论的相结合。,狄拉克方程预言的反粒子的存在！,1928年，英国物理学家狄拉克（P.Dirac）, 首先实现了相对论力学方程的量子化，这也就是著名的狄拉克方程。狄拉克获1933年诺贝尔物理学奖。 狄拉克方程的出现，首先更完满地解释了氢原子的光谱的精细结构，也解释了重原子中X射线光谱中的许多疑难。 狄拉克方程更重要的成就，是在理论上预言了反粒子的存在。,狄拉克 PAUL DIRAC (1902-1984,狄拉克方程预言的反粒子的存在！,也就是说，在实验上除了已观察到各种正粒子如电子、质子、中子等粒子外，根据狄拉克方程，就一定存在着正电子、反质子、反中子等新的“基本”粒子。 这是一个大胆的预言

10、。然而当时实验上并未发现有这类反粒子，因而狄拉克的预言，就成为许多实验物理学家嘲笑的对象。,狄拉克与正电子的故事,据前苏联著名实验物理学家卡皮察回忆，在当时的剑桥大学的学术讨论会上，不论讨论什么科学主题，在会议结束前，总有人站起来说：“狄拉克，你的正电子在哪里？”最后就轰然一笑而散。 狄拉克为的摆脱这一窘境，便放出风声说，他所预言的正电子，就是质子。实际上，狄拉克很清楚，这一正电子必须和电子具有相同的质量。,赵忠尧的实验观测,1930年，我国核物理学家赵忠尧在测量光子在物质中的散射截面时，发现了一种反常的辐射峰。 实际上，这是由于光子在物质中已产生了正电子，这一正电子进一步和电子发生湮灭现象，

11、而转化为2个光子。 由于电子和正电子的静止质量都是0.51MeV，所以在实验上就看到在0.5MeV能量左右的辐射峰。,正电子、反质子、反中子的发现,1932年，安德森（C.Anderson)在宇宙线里发现了正电子，表明确实存在一个光子转化为正负电子对的现象。 1955年，塞格里和张伯伦合作发现了反质子，1956年，又发现了反中子； 1960年，王淦昌、丁大钊等人又发现了反西格玛负超子 于是，在“基本”粒子的队伍中，就出现了一个新的家族反粒子家族。,四、子的发现,随着中子的发现，人们发现中子和原子核有极强的相互作用。 实际上，这意味着中子和质子、中子和中子还有质子和质子之间，出现了一种新的相互作

12、用，即强相互作用。 这一相互作用的特点是： 1.其强度远远大于通常的电磁相互作用，约是电磁作用的103倍。 2.其力程特短，大约只有10131012厘米的范围，超出这一范围外，其相互作用力以指数函数的形式而迅速降低到零。,汤川秀树的介子,为了解释中子和质子间出现的“核力”所具有的特点，1935年，日本著名物理学家汤川秀树（Yukawa Hideki)提出了一个“创造性”的想法，认为这一核力的本质，在于在中子和质子间“交换”了一种其质量约是电子的200多倍、但尚未发现的“介子”，或称为介子。,汤川秀树的介子,这一解释自然是十分奇特的，也是令人难以置信的。难道真的发现了介子？ 但是过了两年，即19

13、37年，安德逊等人竟然在宇宙线中发现了一个质量约为电子200多倍的“介子”！ 于是，汤川的理论“预见”就成为轰动一时的新闻，汤川本人也因此获得1949年诺贝尔物理学奖。,不是介子、原来是轻子！,然而，事实上，不久即发现，这一“介子”并不是汤川所预言的介子，因为这一“介子”并不像人们所期待的那样，将和核物质具有很强的相互作用。 相反，这一“介子”除了有和核物质的电磁作用外，还有远比电磁作用还弱的弱相互作用，其微弱的程度约是1010！,不是介子、原来是轻子！,后来进一步的研究表明，这一粒子根本不是介子家族的成员，而是应称为轻子，并和电子、中微子等粒子组成一个新的家族，即轻子族。 这一轻子族有一个显

14、著的特点：满足轻子数守恒的定律。,历史的误会！,汤川介子，亦即介子，直到1947年，亦即在12年后，才在宇宙线和加速器中发现，但在这期间，人们一直把子当作介子，这纯属“历史的误会”！ 子的发现当然是富有戏剧性的。但是我们之所以着重介始有关子发现的这些戏剧性的情节，还因为子为原子核许多性能的研究，开拓了新天地。,子：登月宇航员,子，由于它本身带负电，而又质量较重，因而极易为原子核所俘获，形成子原子。 通过子和原子核的相互作用，人们可研究原子核的许多性质。有些人将此喻作好象是派遣了一位登月宇航员去月球考察。,张文裕的“反常”原子的发现,1950年，我国著名物理学家张文裕在宇宙线中观察到一种能量比较

15、确定的辐射，这种辐射被称为张氏辐射。 后来经进一步的研究，发现这一特殊的辐射是由于子被碳原子俘获而成为子原子，这一辐射即是在形成这一原子时所放出的特殊辐射。 张文裕的这一发现，还开拓了一个新领域：“反常”原子的研究。,五、奇异粒子的发现,1947年，英国物理学家鲍威尔在宇宙线中用核乳胶发现了介子，并发现介子衰变了一个子加某个中性粒子，亦即中微子。这就最终澄清了这一争议达12年之久的-疑难。 1947年，罗彻斯特和巴特勒在宇宙线中发现了形如英文字母“V”的粒子。由于这一“V”形的夹角较大，很难用正负电子对的产生来解释，因而猜测可能是某种新粒子，而且其实验上测得的可能具有的质量范围已很难用已知粒子

16、来解释。,实验发现两类V粒子,19491950年，安德森和当时是青年物理学家的肖健进一步用云雾室在宇宙线中收集到较多的实例，对这一“V”粒子的质量、寿命等性质作了比较仔细的研究，结果发现这类V粒子可分为两类： 1.一类是质量比质子质量较大，即约为1200MeV左右的粒子； 2.另一类是质量较轻、但比介子重的、质量约在500MeV左右的粒子,现在我们知道，前一种粒子是0超子，后一种粒子是0介子。 后来人们进一步发现，这两种粒子具有某种“奇异”性，亦即它们都具有强相互作用，而且质量比起它们的次级粒子，如质子、中子、介子等强作用粒子要重很多。,具有强相互作用的奇异子,“理应”通过强相互作用即能衰变成为这些“强子”，亦即具有强相互作用的粒子，但安德森和肖健等人的工作表明，这些粒子的寿命约是1010秒的数量级，这和强相互作用的特征量1023秒相差约1013倍之多！ 所以，人们普遍认为，这些粒子具有一种新的量子数，亦即奇异数。这一