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1、 第五章 粒子世界 正电子、中子、反质子和反中子 原子世界物质结构的基本组元是原子,原子世界的基本特征尺度为十分之一纳米,原子世界的能量标度是电子伏特. 最初认识的基本粒子 再把特征尺度缩小十万倍,小到百万分之一纳米，就进入了粒子世界. 0 世纪初在研究原子结构规律时,就已经认识了最初的几个基本粒子.质子、电子、光子是最早被认识到的几个基本粒子，这三种粒子都是稳定的粒子，质子带单位正电荷，电子带单位负电荷，光子不带电,质子和电子有放出和吸收光子的能力，它们通过电磁相互作用互相联系起来。当时实验上还显示不出它们的体积大小，看不到它们有内部结构，可以认为是“点”粒子。 人们认为这些粒子是物质结构的
2、最小的单元，把它们统称为基本粒子。 20 世纪初,物理学中已清楚地认识了的物质的基本相互作用有两种:引力相互作用和电磁相互作用.它们之间有共同点又有不同点，它们都是与距离平方成反比的长程力，引力相互作用总是吸引，电磁相互作用则遵循“同性相斥、异性相吸.质子和电子之间既有电磁相互作用，又有引力相互作用。英国天文学家和理论物理学家爱丁顿(hurnEdt)曾认为基本粒子就是质子、电子、光子三种,而宇宙就是由总数约179 个质子和电子构成，是一个有限无边的正在膨胀的宇宙。从这种理论出发,也就提出了一系列需要研究解答的基本问题:为什么电荷有最小单位?为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为3。6？为
3、什么正电荷的最小单位比负电荷的最小单位质量重 1836。15倍?为什么宏观上正负电是对称的,但正负电荷的最小单元又非常不对称？然而物理学实验和理论的发展很快地打破了这个格局,陆续发现了几个新的基本粒子,展示了粒子世界的丰富多采的新局面。 狄拉克的理论和正电子的发现 28 年英国物理学家狄拉克（PalAdre arceira）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程,即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时,考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应,给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为 1,以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德
4、因子为轨道角动量情形时朗德 因子的 2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的,并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质,是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好.这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程. 既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值 2 的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其
5、能量值是一个电子的静止能量,其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高,并且可以连续地增加到无穷。与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明:如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱,这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的. 针对这个矛盾,1 年狄拉克提出一个理论,被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子,满
6、足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子,物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子,同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号,这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去,需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量.这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-,所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量.按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个
7、带电荷为+e 的粒子,这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子,即正电子.狄拉克的理论预言了正电子的存在. 192年美国物理学家安德森(lDiAdrso)在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子,从而发现了正电子,狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念,正电子是电子的反粒子. 反粒子 这样自然提出了一个新问题：究竟反粒子的存在是电子所特有的性质,还是所有的粒子都具有的普遍的性
8、质。如果所有的粒子都有相应的反粒子,首先检验的是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子。这个问题在 24 年之后从实验上解决了,196 年美国物理学家张伯伦（Oe Cmbein）等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同,自旋量子数也是/,带一个单位负电荷的粒子。接着又发现了反中子。后来发现,各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己,这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子,光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识。 一切粒子都有与之相应的反粒子,这个普遍结论
9、被几十年的粒子物理的发展不断印证。“反粒子”已成为粒子物理学中一个重要的基本概念，并且 3 其本身的含义也在不断地发展和充实. 中子 13年查德威克在实验中发现中子,中子不带电，质量比质子略重，是电子的 13。67 倍,自旋量子数是 /，中子和原子核之间在近距离有很强的相互作用,中子是基本粒子家族的新成员。 中子有一个性质和质子及电子都不同,自由质子和自由电子都是稳定粒子,但自由中子却不是稳定的粒子。当自由中子产生后，平均经过 8 秒就要衰变掉,中子消失了，产生一个质子和一个电子，再加一个当时还没有被观察到和被发现的中性粒子，即反中微子。中子的这个性质就使人们怀疑中子是否是一个复合粒子,是由质
10、子和电子再加另外的中性粒子组成，自由中子的衰变就是一个分解的过程,就像水分子分解成氢原子和氧原子一样。这个可能性立即就被排除掉了，当时的实验没有观察到质子的体积大小，如果质子有一定体积大小,它的半径不会大于 1 费米,中子的半径也是相同的数量级。如果中子中包含电子,电子的位置就被限制在中子的体积内，即在半径小于1 费米的球体积内。从不确定关系给出在中子中电子动量的不确定范围,从而可以估计出电子具有的静止能量加动能值至少达到 49。3 兆电子伏特，这是自由电子静止能量的 96. 倍。具有这么大能量的电子不可能和质子一起被束缚在中子里，这表明中子不可能由质子和电子再加其他中性粒子所组成. 中子是人
11、们发现的第一个不稳定粒子，中子的衰变过程不是复合粒子的分解，而是粒子的转化.中子衰变时，中子消失了，同时产生了一个质子和一个电子，再加一个反中微子。在这个衰变过程中，中子、质子、电子、反中微子的数目都是可变的. 粒子的转化是粒子世界中粒子运动特有的新形式,尽管粒子世界中观察到大量的粒子反应和衰变过程，看起来很像化学中的化合与分解，但是两者的性质和机理是截然不同的。化学中的化合与分解是原子间的重新组合，粒子世界中的粒子反应和衰变则完全是粒子的转化,是粒子的湮没和产生，一般并不能归结为粒子的重新组合。 子、介子、中微子和反中微子 汤川的介子场理论 193 年日本科学家汤川秀树提出了核力的介子场理论
12、。按照汤川理论，质子和中子之间、质子和质子之间以及中子和中子之间的核力相互作用都是通过交换一种有静止质量的媒介粒子来实现的，正如带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换静止质量为零的光子来实现的一样.媒介粒子有静止质量决定了这种相互作用是短程的，也就是说，当距离超过某一称为“力程”的长度时，相互作用的强度就迅速减少到可以忽略的地步。决定质子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常数很大,这就决定了在近距离时这种核力远比电磁相互作用要强.根据实验观察到的核力力程的数量级约为 费米,估计出这种媒介粒子的静止质量应该约是电子的 到3 倍，介于电子和质子之间。汤川把这种媒介粒子称为介子。 子 9 年安德森在宇
13、宙线实验中发现了一种质量约为电子质量.77 倍的带正或负单位电荷的粒子.当时人们曾认为它就是汤川预言的核力的媒介粒子，称之为介子。但是以后多年的研究发现,介子与原子核的相互作用很弱，即使在非常近的距离也没有表现出有超出电磁相互作用以外的其他相互作用，它不可能是汤川所预言的那种介子. 由于介子实际上并不是原来含义下的介子，它被称为介子乃是历史的误会。因此后来就统一称之为子而不再称它为介子，子也是不稳定粒子,自由子的平均寿命是 2。7 微秒，是中子平均寿命的四亿分之一。在迄今为止所发现的不稳定的粒子中,子是除中子外平均寿命最长的粒子. 子衰变时转化为一个电子、一个中微子和一个反中微子. 分子 7
14、年英国物理学家鲍威尔(CeilFrank）在宇宙线实验中又发现了一种质量约为电子质量273 倍的带正或负单位电荷的粒子,它与原子核之间有很强的相互作用，称为介子。介子也是不稳定粒子,平均寿命是 26。0 纳秒，也就是 亿分之 .0 秒。人们认为介子才是汤川理论所预言的粒子，汤川理论经过 2 年得到了实验的证实。190 年发现中性的介子，它比带电介子质量轻一些，也是不稳定粒子，平均寿命是 亿亿分之 0。84秒。 中微子和反中微子 中子和子衰变时都要产生中微子或反中微子，但是它们的发现却经过很长的时间.中微子和反中微子都不带电,它们都不参与电磁相互作用,它们也都与原子核之间没有核力相互作用。这样它
15、们运动时和所遇到的各种物质分子、原子、原子核、电子都没有可以察觉的相互作用，各种物质对于它 们都是近于透明的，当中微子穿过地球时，也只有一百亿分之一的中微子被吸收掉。因此，即使中微子或反中微子已经存在了,也很难被观察和检测到。 186 年贝可勒尔发现铀原子核具有放射性,后来发现许多原子核有放射性。原子核的衰变是发射一个电子，同时这原子核转变为原子序数增加 的新原子核。按这样的机理来分析，原子核的衰变是从一个粒子到两个粒子的衰变过程。如果开始时原子核是静止的,动量守恒要求衰变时产生的电子和新原子核所获得的动量大小相等、方向相反。再加上能量守恒的限制，又要求发射的电子的能量是确定的值。然而大量原子核衰变的实验显示发射出的电子的能量并不是确定的值，而是可以在从零开始一直到某一个最大能量值之间的一个范围内连续变化。这个结果曾被人们认为是表明原子核的衰变过程中能量动量守恒遭到了破坏.19 年泡利为了解释原子核衰变中的能量动量守恒上的疑难，提出原子核衰变时除了发射一个电子外,可能同
