《大胆的理论假设艰难的实验探索》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大胆的理论假设艰难的实验探索（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大胆的理论假设 艰难的实验探索纪念著名理论物理学家泡利提出中微子假设65周年“不幸的中微子！但不会永远如此.我确信，在不久的将来，中微子必将获得应有的荣誉，甚至进入人奖的生活.”布鲁诺蓬德科尔沃当1995年10月11日，瑞典皇家科学院宣布，1995年度的诺贝尔物理奖，授于弗雷德里克莱因斯（f. reines）和马丁帕尔（m.perl）两位美国科学家时，我们十分欣喜，同时也感到遗憾.欣喜的是蓬德科尔沃（b.pontecorvo）关于中微子的说法终于得到证实，以f莱因斯和c柯万（c.cowan）（已故）为首 的实验小组，在50年代中期终于捕获到一种由泡利假设和认为“可能永远也探测不到”的粒子中微子
2、，以及以m帕尔为首的实验小组于70年代中期发现一种新的轻子子的两项在人类对微观世界研究的道路上，立下了不可磨灭的里程碑的研究成果，经过几十年的高能物理发展的考验，终于得到全世界的承认.遗憾的是在这两项重要研究成果中的两位先驱者，我国著名物理学家王淦昌教授以及美籍物理学家蔡永赐教授却未能同时分享这一巨大荣誉.在基本粒子大家庭中，还没有哪一个粒子能像中微子那样，那么令人捉摸不透，那么令人困惑，而又那么充满生机.它伴随着整个近代物理学的发展，并引发出一系列有待于人们去进一步揭开的自然之谜.一、天才神童的大胆假设中微子的发现，起源于人们对衰变的研究.1899年著名物理学家卢瑟福（e.rutheford
3、d）在研究铀的放射性时发现：从原子核里发射出来的电子流是射线，这种现象称之为衰变.1919年英国物理学家查德威克（j.chadwick）通过实验测定发现：衰变中发射的电子能量与原子核的质量损失并不相称.而且，在衰 变中发射的电子并不具有确定的能量，而具有“连续的能谱”.衰变中丢失的能量到哪里去了呢？是什么原因造成衰变连续谱的呢？为了解释这一现象，物理学家迈特纳（lise meitner）曾认为射线通过原子核的强电场时会辐射一部分能量.但在1927年埃利斯（c.d.ellis）和伍斯特（w.a.wooster）用量热学实验精确地测量这一辐射能量时，并没有测得任何能量损失.这一结果曾促使n玻尔（b
4、ohr niels henrikdavid）一度主张，有可能能量守恒只是在统计意义上成立，对每一次衰变并不成立.在这件事上，玻尔昔日的学生，比他年轻15岁的并被誉为“天才神童”的著名理论物理学家泡利（w.pauli）则表现了令人赞叹的勇气.1930年12月4日，泡利为解决衰变的能谱问题，在给加图宾根物理讨论会的“从事放射性工作的女士们和先生们”的一封公开信中，大胆地提出了中微子的假设.他在信中写道：“我偶然想到了一个挽救守恒定律的非同寻常的办法，这就是可能有一种电中性的粒子存在，它具有自旋12，并遵从不相容原理，假定在衰变过程中，这种粒子与电子一同放出，这两个粒子的能量之和保持不变，那么能谱就
5、变得可以理解了.”泡利当时将这种粒子叫“中子”，并认为其存在于原子核中，而且与物质的作用很弱，以致在实验中很难探测到它.泡利的想法也在不断深比.不久以后，他就不再认为衰变中出现的那种穿透力极强的粒子是原子核的组成部分，而是在衰变中产生的，并且不再称它为“中子”了.1931年6月在美国物理学会的一次年会上，泡利正式报告了自己的新想法.但他却没有给这种想象中的粒子起任何独特的名子.但是在会上费米 e. fermi ）却激动地打断了他的讲话，高声叫道：“就叫它中微子吧！”（按意大利文的意思是“微小中性的一 个”）费米在泡利提出了中微子假设以后，很快建立了著名的衰变理论.他认为，衰变实际上是原子核内一
6、个中子转变成一个质子，并放射出一个电子和一个中微子的过程.在能量合适的条件下，原子核内的质子也能转变成中子，并放射出一个正电子和中微子.并由此推出中微子不带电荷，没有磁矩，自旋为12，质量为零（或近似为零），以光速（或近似光速）运动.后来，人们从“总粒子数守恒”出发，又将衰变中出现的粒子确定为“反中微子”，使得衰变后的总粒子数为2+（-1）=1，与衰变前相等.费米的理论定量地描述了衰变的连续能谱和半衰期规律.不仅如此，引入中微子还稳住了物理学大厦的另外两块基石：“动量守恒”和“角动量守恒”.一种粒子同时解决了三大守恒定律在衰变中的困境.对于中微子，人们所要做的只剩下了一件事，那就是在实验中抓到
7、它！二、艰苦卓绝的实验探测中微子和反中微子的引入，在物理学上是如此重要，但是真正在实验探测到它的存在，却经过了14世纪的时间.在四种相互作用中，中微子只参加几率极小的弱相互作用.对于能量为mev量级的中微子，截面10-13cm2，它在水中的平均自由程约为100光年，由此可见这种相互作用的微弱程5度.正因为如此，直接探测中微子的存在就成为一项异常艰难的工作.因此，从中微子假设提出后到1940年这十多年间，没人能提出简单而又有决定意义的实验来证实中微子的存在.1941年正值我国抗日战争的艰苦岁月，浙江大学因战争而迁移到消息十分闭塞而偏僻的贵州遵义.就在这样艰难的时期，我国著名物理学家王淦昌教授在教
8、学之余，仍未放弃科学研究工作.他在仔细调研国外文献的过程中，发现了1939年克瑞恩（h.r.crane）和赫尔彭（j.halpern）论文过程中，王淦昌意识到这种末态有三个粒子的过程太复杂，难以准确地测定中微子的能量和动量，应该另辟新的途径.经过反复思考，他想到用k俘获过程的方法来测定中微子.因为k俘获过程是轨道电子俘获中最容易发生的过程，原子核俘获原子最内层（k层）电子，这是一个二体过程，由反冲核的能量和动量可以准确地得到中微子的能量和动量，从而确切地证实中微子的存在.为此，他写了 一篇题为“关于探测中微子的一个建议”的论文，投寄到美国物理评论杂志.该文于1942年1月在该刊发表.这是一篇极
9、富创造性的文章，在确认中微子存在的工作中，此文一语道破了问题的关键.文中指出：“当一个+的放射元素不放射一个正电子，而是俘获一个k层电子时，反应后的元素的反冲能量和动量仅仅依赖于放射的中微子，只要测量反应后元素的反冲能量和动量，就很容易找到放射的中微子的能量和质量.”王淦昌教授的文章发表刚几个月，美国物理学家阿伦（j.s.allen），就按照这一建议测量到了7li的反冲能量.十分可惜的是，由于战时实验条件不够理想，所用的样品较厚，加之孔径效应，没有观察到单能的7li反冲.直到1952年阿伦和罗德拜克（g.w.rodback）合作做17ar的k电子俘获实验，才第一次观察到单能的反冲核.同年，戴维
10、斯（r.davis）重作了7be的k电子俘获实验，也观测到单能量的反冲该7li，最终实现了王淦昌教授的建议，也最终证明了放出的中微子只有一个而不是几个.在电子俘获实验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与物质相互作用引起的反应.由于中微子与物质作用极弱，因此实验非常难做，直到1956年才由美国物理学家f莱因斯和柯万完成.他们利用建在萨瓦纳河工厂的反中微子通量高达每秒每平方厘米51013个的大反应堆进行实验.由于中微子的反应几率很小，因此，探测时要求必须用大量靶核.莱因斯选用了氢核作为靶核，实验中他用的是200升醋酸镉的水溶液，装在高为7.6cm、长15.9cm、宽10.8cm的容
11、器中，这样的容器一共两个，夹在三个液体闪烁计数器中，他想通过实验观察的方向运动的511kev的y射线，然后被液体闪烁计数器记录下来.整个过程不到10-9s.中子产生后与靶液中氢核碰撞慢化，大约几微秒后，才被靶液中的镉吸收而放出4个y射线被记录下来.所以，利用这几微秒的差异，就较易与普通背影本底区分开来.为了进一步减小本底信号干扰，莱因斯将靶液容器周围包了7.6cm20cm厚的铅板，并用5000个液体闪烁计数器把探测器包围起来，并辅之以一种叫反符合电路的装置来分析探测器中发生的反应.采取各种措施以后，还会有些本底被当作有效信 号记录下来.再将反应堆关掉，这时记录下的就是本底 了.开堆与停堆时计数
12、的差，就是真的信号计数了.莱 因斯耐心地等待着，最后终于在1956年成功地找到了 反中微子.当时的计数率是每小时2.880.22个，每 小时不到3个.由此可以想象，这一实验异常艰难与辛 苦.这项直接的观察结果消除了对于中微子的全部怀 疑，与任何别的基本粒子一样，中微子业已成为现实的 粒子.莱因斯他们终于在一项近乎不可能的工作中获得了成功，他们将中微子的地位从一种假设存在提高到作为一种自由粒子而现实存在的程度.为此，莱因斯荣获了1995年的诺贝尔物理奖.微子（v）.1946年意大利科学家蓬特科尔沃首先提出了一种方法，以探测极微量的中微子，其依据的原理是：37cl吸收一个中微子就会变成37ar并且
13、发射出一个电子，即37cl+v37ar+e-.为了形成巨大的氯靶，可以使用含氯的液态有机化合物.实验中可采用四氯比二碳（c2cl4）为探测介质，氩是惰性气体，一旦生成，便自动脱离氯化物分子，最后聚集成小的氩气泡.氩具有放射性.即使只收集到极小量样品，亦能因为它的放射性而加以识别.美国物理学家戴维斯等人从1956年开始就率先进行了这方面的尝试.但是，直到1968年才真正取得了惊人的结果.那一年他把610吨四氯乙烯注入一个直径6m、长达15m的大筒中，构成了一架“中微子望远镜”，并把它安装在南达科他州一个很深的金矿中.戴维斯等人就是利用这一装置探测到了来自太阳的中微子，并且证明中微子可以引起的现象
14、（产生37ar）不能由反中微子再现.这些事实说明确实存在两种不同的中微子，即中微子与反中微子.三、不同类型的粒子家族三种类型的中微子家族的发现，起源于人们对核理论的研究.当英国物理学家查德威克于1932年在实验中发现中子以后，德国物理学家海森伯（w.heisenberg）和前苏联物理学家伊凡宁柯（iva-nenko）各自独立地提出了原子核是由中子和质子组成的观点.但是中子和质子靠什么力结合成原子核的问题, 就摆在了物理学家们面前.1935年日本理论物理学家汤川秀树（yukawa hideki）提出了核力的介子理论核力是由两个核子之间交换一种叫做介子的粒子而形成的.根据核力的力强大约是10-13
15、cm，可以估算得这种介子的质量大约是100mev，即大约比电子重200倍，是质子的19左右.很巧的是在介子理论提出第二年，美国物理学家安德森（c.d.anderson）在研究宇宙射线时，发现了一种质量大约是100mev的新粒子，人们以为它就是汤川所预言的介子，将它叫做u介子.1947年康弗斯（conversi）、潘切尼（pancini）和皮西奥尼（ piccioni）发现：在轻物质中，-和+的寿命差不多一样长，这一事实说明了u介子并非汤川介子.真正的汤川介子后来由英国物理学家鲍威尔（c.f.powell）于1947年发现，并命名为介子.与此同时，我国著名物理学家张文裕教授在美国普林斯顿大学做宇
16、宙射线实验时，也证实了u 介子与原子核没有强相互作用.这一重要发现说明，u介子是与电子相似的轻子.后被命名为u子.到了50年代，人们认识到u子与电子有许多共同特点，如u子有正负之分而无中性,且自旋为1/2，只涉及弱作用等.正因为如此，使人们联想到，u子在粒子相互作用方面应具有与电子相同的行为.例如：子数就不守恒了.为了解决这一问题，1958年美国物理学家凡伯格（g.feinberg）提出了存在ve和v两种中微子的理论.其最早可追溯到1942年，日本物理学家坂田昌一（sakatashoichi），他当时注意到u子寿命比理论预言的汤川介子寿命高两个数量级，而提出了应有两种介1962年美国物理学家莱德曼（l.lederman）、施瓦茨（m.schwarta）和斯坦博格（j.steinberger）在美国的布鲁海文实验室的33gev加速器
