第7章原子核与粒子物理分析

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1、7原子核物理原子核物理 核外电子运动核外电子运动原子物理学原子物理学原子核内部运动原子核内部运动原子核物理学原子核物理学 原子和原子核是物质结构泾原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。渭分明的两个层次。 1932年人们发现中子，以此年人们发现中子，以此作为原子核物理的开端，那么今作为原子核物理的开端，那么今天我们对核的了解还远远没有达天我们对核的了解还远远没有达到到70年前对原子的了解程度。年前对原子的了解程度。 7.1 原子核的基本性质原子核的基本性质1.核质量核质量原子核的质量原子核的质量=原子的质量原子的质量-核外电子的质量核外电子的质量通常采用质量单位通常采用质量单位 忽略电子的结

2、合能忽略电子的结合能2.核电荷核电荷Z称核电荷数。称核电荷数。3.核的大小核的大小核的密度核的密度实验表明核体积与核子数成正比实验表明核体积与核子数成正比4.4.核的组成核的组成-质子和中子子和中子质子质子1932年年，查德威克发现了中子，查德威克发现了中子 1919年年,Rutherford用用 粒子轰击粒子轰击14N，发现了质子。，发现了质子。人类首次实现原子核的人工转变（点金术）。人类首次实现原子核的人工转变（点金术）。原子核的符号表示：原子核的符号表示：AZXN ， A=N+Z 为核子数为核子数（i） Z相同相同N不同的核素称为不同的核素称为同位素同位素（ii） N相同相同Z不同的核素

3、称为不同的核素称为中子异核素中子异核素（iii） A相同相同Z不同的核素称为不同的核素称为同量异位素同量异位素中子和质子统称为核子中子和质子统称为核子,可理解为核子的两个不同状态。可理解为核子的两个不同状态。中子中子5.5.原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩核自旋核自旋 核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和核自旋是所有核子的自旋角动量和轨道角动量的矢量和 , ,在空间某一方向的投影：在空间某一方向的投影： 量子数可以是整数或半整数量子数可以是整数或半整数核自旋核自旋磁磁量子数量子数1 1A A为奇数的核为奇数的核( (奇奇A A核核) ) 2 2Z Z、N N都为偶数的核都为偶数

4、的核( (偶偶- -偶核偶核) )3 3Z Z、N N都为奇数的核都为奇数的核( (奇奇- -奇核奇核) )原原子子核核也也有有磁磁矩矩, , 核核磁磁矩矩比比电电子子的的磁磁矩矩小小得得多多，因因此此产产生生的的超超精精细细结结构构谱谱线线也也比比精精细细结结构构谱谱线线间间距距小小得得多多。测测量原子核磁矩的重要方法之一是量原子核磁矩的重要方法之一是核磁共振核磁共振6.原子核的磁矩原子核的磁矩电子电子自旋自旋磁矩：磁矩：7.2 原子核力和结合能原子核力和结合能 在认识原子核之前人们只知道自然界有两种相互作用在认识原子核之前人们只知道自然界有两种相互作用力：引力和电磁力。力：引力和电磁力。是

5、什么力使核子竟然不顾库仑斥力紧是什么力使核子竟然不顾库仑斥力紧密结合密结合？ 1.核力的基本性质核力的基本性质(ii)短程性短程性(i)强相互作用强相互作用核力的强度比库仑力大一百倍核力的强度比库仑力大一百倍(iii)电荷无关性和电荷无关性和饱和性饱和性 实验表明每个核子只与它相邻实验表明每个核子只与它相邻 的几个的几个核子有相互作用。核子有相互作用。2.原子核的结合能原子核的结合能核核由由中中子子和和质质子子组组成成，但但核核质质量量不不等等于于核核内内中中子子和质子质量之和。和质子质量之和。例如例如，氘核，氘核由一个中子和一个质子组成由一个中子和一个质子组成 说说明明中中子子和和质质子子组

6、组成成氘氘核核时时会会释释放放2.225MeV的的能能量量。逆逆过过程程也也成成立立，用用同同样样的的能能量量辐辐照照氘氘核核，将将一一分分为为二二飞飞出出中中子子和和质质子子。事事实实上上，自自然然界界中中物物体体总总质质量量比比组组成成它它的的个个别别质质量量之之和和小小是是普普遍遍现现象象。例例如如，一一个个电电子子和和一一个个质质子子组组成成氢氢原原子子时会释放时会释放13.6eV。原子结合能。原子结合能eV，原子核结合能，原子核结合能MeV核的质量亏损核的质量亏损原子核的结合能原子核的结合能核的结合能核的结合能核子结合成原子核时释放的能量核子结合成原子核时释放的能量平均结合能平均结合

7、能e-e-e-e-AB 现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换现代物理学认为：电磁相互作用是带电粒子间交换“虚光子虚光子”而产生的交换力。而产生的交换力。3. 核力的核力的介子理论介子理论(1)A30(1)A30的的轻轻核核，平平均均结结合合能能表表现现出出周周期期性性的的变变化化，凡凡A A等等于于4 4的倍数的核，的倍数的核，平均结合能平均结合能有最大值。有最大值。(2)(2)中中等等核核(A=30-120)(A=30-120)的的平平均均结结合合能能较较大大，轻轻核核和和重重核核的的平平均均结合能结合能较小较小获得核能的途径有两个：重核裂变和轻核聚变获得核能的途径有两个：重核裂变和

8、轻核聚变特点特点：19471947年发现年发现 介子介子1.液滴模型液滴模型实验依据：实验依据：7.3原子核结构模型原子核结构模型（1 1）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核子作用，如同）核力具有饱和性，核子只与它周围几个核子作用，如同液体中的分子。液体中的分子。（2 2）核密度不随核子数变化，）核密度不随核子数变化，核具有不可压缩性，核具有不可压缩性，如同液体如同液体密度是常数一样。密度是常数一样。2. 壳层模型壳层模型 在自然界中，在自然界中，Z或或N(=2,8,20,28,50,82,126-幻数幻数)的核特别的核特别稳定，含量明显比其附近核素的含量多，稳定，含量明显比其附近核素的含量

9、多，Z或或N显示周期变化。显示周期变化。1949年，年，Mayer和和Jensen在势阱中加入了自旋在势阱中加入了自旋-轨道耦合轨道耦合项，从而成功地解释了幻数的存在，项，从而成功地解释了幻数的存在，1965年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。3. 集体模型集体模型1952年年Bohr和和Mottelson提出描述核集体振动和转动的提出描述核集体振动和转动的“几几何模型何模型”，1975年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。7.4原子核放射衰变原子核放射衰变1.放射性衰变规律放射性衰变规律18961896年年，法法国国物物理理学学家家贝贝克克勒勒尔尔发发现现铀铀矿矿物物能能自自发发地地发发射射穿穿透透力力很很强

10、强并并能能使使照照相相底底版版感感光光的的不可见射线。不可见射线。 18981898年，居里夫妇又发现了钋和镭年，居里夫妇又发现了钋和镭放射性衰变：放射性衰变：核素核素自发地自发地放射出某种射线而变成另一种核素的过程放射出某种射线而变成另一种核素的过程放射性物质放出的射线主要有三种：放射性物质放出的射线主要有三种： 1 1 射线：氦核射线：氦核2 2 射线：正负电子射线：正负电子3 3 射线：光子射线：光子 放射性衰变放射性衰变遵守：遵守：电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。电荷守恒、质量数守恒、质量和能量守恒、动量守恒等。 (1).指数衰变规律指数衰变规律 代表一个原子核在单位

11、时间内发生衰变的几代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，称为率，称为衰变常数衰变常数 (2). (2). 半衰期半衰期核衰变到原来数目一半时所需时间称核衰变到原来数目一半时所需时间称半衰期半衰期(3)平均寿命平均寿命 一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，一个原子核在衰变前存在的时间叫寿命，所所有原子核寿命的平均值称为有原子核寿命的平均值称为平均寿命平均寿命。例例1：某某核核的的衰衰变变常常数数为为，试试求求它它的的半半衰衰期期和和平平均均寿命。寿命。放射性活度放射性活度放射性活度的单位为放射性活度的单位为Bq(贝克贝克)，1Bq=1次衰变次衰变/秒秒1居里居里(Ci)=次衰变次衰变/秒秒=

12、Bq例例2: 2: 估算地球年龄估算地球年龄2. 衰变衰变衰变能衰变能衰变条件衰变条件 例：例：判断判断是否发生是否发生 衰变。衰变。3. 衰变衰变衰变衰变连续连续能谱能谱引发的困难引发的困难1930年，泡利（年，泡利（Pauli）指出：指出：“只有假定在只有假定在 衰变过程中，衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，才能解释连续出来，才能解释连续 谱。谱。”中微子假说中微子假说1956年，从实验上发现了中微子。年，从实验上发现了中微子。 当当衰变物只有两个时，能量可衰变物只有两个时，能量可由动量守恒完全确定，而

13、由动量守恒完全确定，而衰变物有衰变物有三个时，能量可以任意分配。三个时，能量可以任意分配。 是守恒定律的问题还是存在第三是守恒定律的问题还是存在第三者？者？ 衰变的三种类型及衰变条件衰变的三种类型及衰变条件i 衰变：衰变： 衰变衰变能能衰变条件衰变条件ii衰变：衰变： iii电子俘获（电子俘获（K俘获，俘获，L俘获）俘获）原子核俘获一个核外轨道上的电子转变为另一个核的过程原子核俘获一个核外轨道上的电子转变为另一个核的过程 衰变的本质：衰变时一个中子转变为质子或反之，而衰变的本质：衰变时一个中子转变为质子或反之，而轨道俘获其本质就是俘获轨道电子而转变为中子。轨道俘获其本质就是俘获轨道电子而转变为

14、中子。4. 衰变衰变 原子核通过发射原子核通过发射 光子光子从激发态跃迁到较低能态从激发态跃迁到较低能态的过程的过程 7.原子核反应原子核反应原原子子核核反反应应：用用具具有有一一定定能能量量的的粒粒子子轰轰击击一一个个原原子子核核，使使其其放出某种粒子而转变为新原子核的过程。放出某种粒子而转变为新原子核的过程。(1)历史上第一个人工核反应历史上第一个人工核反应 ( () ) 第一个在加速器上实现的核反应第一个在加速器上实现的核反应 核反应中的守恒定律核反应中的守恒定律: :电荷数电荷数、质量数质量数、动量动量、能量守恒能量守恒. .此外此外, ,还有角动量、宇称、统计性、同位旋等量守恒。还有

15、角动量、宇称、统计性、同位旋等量守恒。 一个铀核一个铀核: :相当相当2.5吨吨煤完全燃烧放出的能量煤完全燃烧放出的能量 核裂变核裂变：19391939年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击年，哈恩和史特拉斯曼发现：利用中子轰击U U时，时，产物中存在产物中存在BaBa。随后，梅特纳和弗里什指出：。随后，梅特纳和弗里什指出：U U在中子的轰击在中子的轰击下，裂变为两个中等质量核素。下，裂变为两个中等质量核素。19471947年，钱三强和何泽惠发年，钱三强和何泽惠发现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之现了核裂变的三分裂现象，其发生几率约为二分裂的千分之三。三。一克铀一克铀: U

16、U分离技术是制造原子弹的关键技术，分离技术是制造原子弹的关键技术，一个一个U U原子原子可以提供可以提供2.52.5中子，可以维持链式反应！中子，可以维持链式反应！临界质量临界质量：体积太小中子容易逃逸，无法维持反应。：体积太小中子容易逃逸，无法维持反应。裂变反应堆裂变反应堆二、裂变机制二、裂变机制液滴模型液滴模型核内的质子、中子在不停地运动。核核内的质子、中子在不停地运动。核子之间有核力，质子之间有库仑斥力。子之间有核力，质子之间有库仑斥力。当当哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收哑铃形的两端之间的库仑斥力大于中间收缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，缩部分核子间总的核力时，形变不能恢复，

17、原子核分裂成两块，放出中子，同时释放原子核分裂成两块，放出中子，同时释放能量。能量。库仑势垒：库仑势垒：144144KeVKeV5.6 5.6 10108 8K K聚变温度：约聚变温度：约10108 8K K（1 1亿度），等离子体状态亿度），等离子体状态原子核聚变原子核聚变1.聚变能约为裂变能的聚变能约为裂变能的四四倍倍2.聚变的原料是氘聚变的原料是氘.裂变的原料是铀裂变的原料是铀氢弹方案：高效炸药氢弹方案：高效炸药+ +裂变原料裂变原料+ +氘化锂氘化锂氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：氢弹是不可控的热核反应裂变弹的能量分配：爆震与冲击波：爆震与冲击波： 50% 50% 热辐射：热辐

18、射： 35%35%剩余辐射：剩余辐射： 10% 10% 早期辐射：早期辐射： 5%5%纯聚变不产生剩余辐射。纯聚变不产生剩余辐射。引力约束聚变引力约束聚变关于太阳关于太阳： 引力约束等离子体。每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸引力约束等离子体。每天燃烧的氢，相当于每秒爆炸900900亿颗百万吨级的氢弹。碳循环周期亿颗百万吨级的氢弹。碳循环周期 6 6x10x106 6年，质子循环周年，质子循环周期期 3 3x10x109 9年。太阳外层温度年。太阳外层温度60006000K, K, 中心温度中心温度15,000,00015,000,000K K。太阳内部主要有两种太阳内部主要有两种热热核反应：核反应

19、： 1氢链反应：氢链反应： 2碳氢循环碳氢循环 激光激光约束聚变约束聚变受控核聚变受控核聚变 在直径为在直径为0.40.4mmmm的小球内充以的小球内充以30-10030-100大气压的氘氚混合气体，用强大气压的氘氚混合气体，用强激光（激光（10101212-10-101414W)W)均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一均匀照射，使氘氚混合气体的密度达到液体密度的一千到一万倍，温度达到千到一万倍，温度达到10108 8K K而引发聚变。而引发聚变。 磁约束聚变磁约束聚变 超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束。具超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束。具有闭合

20、磁力线的磁场是一种可能的选择。设计有闭合磁力线的磁场是一种可能的选择。设计 “磁笼磁笼” 成为难点成为难点 。7070年代，苏联科学家发明的年代，苏联科学家发明的“托克马克托克马克”方案逐渐显示出优点，成方案逐渐显示出优点，成为聚变能研究的主流途径。为聚变能研究的主流途径。 托克马克装置又称环流器，托克马克装置又称环流器， 磁笼磁笼 由环形封闭磁场组成。由环形封闭磁场组成。 核武器核武器原子弹：原子弹： 用用235235U U或或239239PuPu等重原子核的链式裂变反应等重原子核的链式裂变反应原理制成的核武器。利用炸药实现临界状态。原理制成的核武器。利用炸药实现临界状态。. 氢弹：氢弹：用

21、氘、氚等轻原子核的热核用氘、氚等轻原子核的热核聚变反应原理制成核武器。氢弹没聚变反应原理制成核武器。氢弹没有填料的限制有填料的限制 核试验：核试验：大气核试验、地下核试验、计算机模拟核试验大气核试验、地下核试验、计算机模拟核试验反应堆反应堆核能利用 苏美苏美5050年代，英法年代，英法6060年代。中国晚四十年代。中国晚四十年起步，年起步，19911991年年1212月浙江秦山核电站发电。月浙江秦山核电站发电。 据据19951995年资料显示，我国核能利用占总年资料显示，我国核能利用占总能比（能比（1.3%1.3%）远低于法国（）远低于法国（75%75%），日本），日本（36%36%），韩国（

22、），韩国（30%30%），台湾（），台湾（31%31%），甚至），甚至低于印度。低于印度。20052005年，我国核电不到（年，我国核电不到（2%2%）。）。据估计，据估计，20502050年我国能源需求将达到相当年我国能源需求将达到相当5050亿吨煤标准，而目前我国年耗亿吨煤标准，而目前我国年耗1515亿吨煤，水亿吨煤，水资源不到资源不到2 2亿吨煤，缺口极大。亿吨煤，缺口极大。 在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应在所有的核聚变反应中，氘和氚的核聚变反应相对比较易于实现。相对比较易于实现。 氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的

23、聚变反应中可释放相当于燃烧出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300300公升汽油的能量，有人估计若把海水中的氘都公升汽油的能量，有人估计若把海水中的氘都提出来，可用几百亿年。提出来，可用几百亿年。 聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源。人类高放射性核废料等优点，是人类未来能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用核聚带正电的核靠近产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经更长的、非常艰苦的研发历程。变能则需要历经更长的、非

24、常艰苦的研发历程。 国际热核聚变实验堆国际热核聚变实验堆（ITERInternationalThermonuclearExperimentalReactor）计划）计划ITER总投资总投资50亿美元（亿美元（1998年值），欧盟贡献年值），欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%，计划，计划35年，是目前世年，是目前世界上仅次于界上仅次于国际空间站国际空间站的又一个国际大科学工程计划的又一个国际大科学工程计划。1985年年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议由美、苏、欧、日共同启动峰会上倡

25、议由美、苏、欧、日共同启动ITER计划计划。1998年年，美国出于政治原因宣布退出，美国出于政治原因宣布退出ITER计划，欧、日、俄计划，欧、日、俄三方则继续坚持合作三方则继续坚持合作2001年年完成完成ITER工程设计。工程设计。2002年年，欧、日、俄表示欢迎中国与美国参加，欧、日、俄表示欢迎中国与美国参加ITER计划。计划。2003年年1月初月初中国宣布参加，中国宣布参加，1月末月末美国宣布重新返计划。美国宣布重新返计划。2005年年韩国加入，同年韩国加入，同年6月，六方一致同意把月，六方一致同意把ITER建在法国建在法国核技术研究中心核技术研究中心Cadarache。2006年年印度加

26、入。印度加入。ITER计划集成了当今国际受控磁约束计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果。国际核聚变研究的主要科学和技术成果。国际上对上对ITER计划的主流看法是：建造和运行计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，预期本世纪中叶可实现聚功的把握较大，预期本世纪中叶可实现聚变能商业化。变能商业化。ITER计划的实施结果将决定人类能否从计划的实施结果将决定人类能否从根本上解决能源问题。根本上解决能源问题。8粒子物理粒子物理 实验研究：（实验研究：（1）宇宙线）宇宙线 （2）加速器）加速器 目前世界上的高能

27、对撞机目前世界上的高能对撞机（1 1）欧洲核子中心欧洲核子中心: : 质子质子- -质子对撞，质子对撞， 270+270GeV(1982270+270GeV(1982）; T+T ; T+T （20062006）; ; 正负电子对撞，正负电子对撞，80+80GeV80+80GeV（19891989）。）。 (2) (2) 中国高能所中国高能所（19881988）：正负电子对撞，）：正负电子对撞， 2.8+2.8GeV2.8+2.8GeV (3) (3) 美国美国（19861986）：质子对撞）：质子对撞1000+1000GeV1000+1000GeV。8.1 粒子分类和相互作用粒子分类和相互作

28、用1.1.相互作用相互作用2Particleclassification1.规范粒子规范粒子（场量子）（场量子）Gougebosons(i)光子光子Photon(ii)中间玻色子中间玻色子Intermediateboson(iii)胶子胶子Gluon(iv)引力子引力子Graviton2.轻子轻子Leptons-不参与将相互作用的费米子不参与将相互作用的费米子(i)电子及伴生中微子电子及伴生中微子(ii)重电子及伴生中微子重电子及伴生中微子(iii)超重电子及伴生中微子超重电子及伴生中微子3.强子强子（Hadrons）-参与将相互作用的粒子参与将相互作用的粒子(i)介子介子Mesons(玻色子

29、玻色子)，由正反两个夸克组成，由正反两个夸克组成重子重子Baryons(费米子费米子)由三个夸克组成由三个夸克组成夸克模型夸克模型: :1964年年，Gell-Mann and George Zweig提提出出夸克模型。夸克是自旋为夸克模型。夸克是自旋为1/2的费米子的费米子UpDownStrangeCharmedBottomTopIn1974,thediscoveryofJ/ledtocharmedquark.In1977and1994,bottom(orbeauty)quarkandtop(ortruth)quarkwerefoundrespectively.Red,Blue,GreenQ

30、CD(Quantumchromodynamics)量子色量子色动力学力学夸克层次的粒子分类夸克层次的粒子分类.规范玻色子规范玻色子-13种种2.费米子费米子-48种种Higgs粒子和引力子迄今为止还没有发现粒子和引力子迄今为止还没有发现 发现黑哥发现黑哥 2011年全球科学界发生两件大事年全球科学界发生两件大事第一件第一件，中微子被发现有超光速的迹象。动摇爱，中微子被发现有超光速的迹象。动摇爱因斯坦相对论的基础，百年来的物理学可能要重因斯坦相对论的基础，百年来的物理学可能要重写。写。第二件第二件，黑格斯（，黑格斯（higgs）粒子被发现有存在的）粒子被发现有存在的迹象。迹象。黑格斯粒子也被叫黑

31、格斯粒子也被叫“上帝粒子上帝粒子”，叫法源于一，叫法源于一位诺奖（位诺奖（1988）得主得主莱德曼写的高能物理科普读写的高能物理科普读物物上帝粒子上帝粒子。名字有终极的意思，即粒子物。名字有终极的意思，即粒子物理能发现的最后一个粒子。理能发现的最后一个粒子。所谓所谓higgs机制是指规范对称性自发破缺时，机制是指规范对称性自发破缺时，整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢量场吃掉，使原本是零质量的矢量场在破缺后得量场吃掉，使原本是零质量的矢量场在破缺后得到质量，这些是在相对论量子场论框架下做的。到质量，这些是在相对论量子场论框架下做的。 希格斯粒子

32、是粒子物理学标准模型预言的一希格斯粒子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，是至今尚未在实验中观察种自旋为零的玻色子，是至今尚未在实验中观察到的最后一种未被发现的粒子。到的最后一种未被发现的粒子。 标准模型是当今粒子物理学的主流理论，它标准模型是当今粒子物理学的主流理论，它是描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本是描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，它没有描力及组成所有物质的基本粒子的理论，它没有描述重力。述重力。 当当19951995年美国费米实验室宣布发现了顶夸克年美国费米实验室宣布发现了顶夸克时，标准模型所预言的时，标准模型所预言的616

33、1个基本粒子中的个基本粒子中的6060个都个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去对物已经得到了实验数据的支持与验证，看上去对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声质微观结构的探索已经到达了它的尾声希格斯玻色子的一个希格斯玻色子的一个LHCLHC图像：希格斯玻色子衰减为两个强子和电子喷出物图像：希格斯玻色子衰减为两个强子和电子喷出物 大型强子对撞机大型强子对撞机(Large Hadron Collider(Large Hadron Collider，简称，简称LHC) LHC) 为寻找为寻找HiggsHiggs而设计的而设计的，位于法国与瑞士边界处。环形加速器周长，位于法国与瑞士边界处。环形加

34、速器周长2727公里，投资数十亿欧元，拥有来自世公里，投资数十亿欧元，拥有来自世界各地的界各地的60006000余位专家。余位专家。最接近诺贝尔奖的中国发现最接近诺贝尔奖的中国发现 2012 2012年年3 3月月8 8日，大亚湾中微子实验组宣布，发现了中微日，大亚湾中微子实验组宣布，发现了中微子的子的“第三种振荡第三种振荡”，有望破解，有望破解“反物质消失之谜反物质消失之谜”。中微。中微子振荡实际上是不同中微子之间的转换，称为子振荡实际上是不同中微子之间的转换，称为“味振荡味振荡”（flavor oscillationflavor oscillation）。科学家观测太阳中微子和大气）。科学

35、家观测太阳中微子和大气中微子在传输过程中的值是理论值的三分之一到一半左右。中微子在传输过程中的值是理论值的三分之一到一半左右。 已经发现了已经发现了“太阳中微子振荡太阳中微子振荡”和和“大气中微子振荡大气中微子振荡”两种模式。发现中微子第三种振荡模式，结果是诺贝尔级的，两种模式。发现中微子第三种振荡模式，结果是诺贝尔级的，如果观测实验早出现十来年，一定可以获得诺奖。如果观测实验早出现十来年，一定可以获得诺奖。 19881988年，因发现年，因发现中微子获诺奖。中微子获诺奖。 1995 1995年，因为年，因为19561956年在实验中首次观测到中微子，而与年在实验中首次观测到中微子，而与子的发

36、现者分享诺奖。子的发现者分享诺奖。 2002 2002年，戴维斯和小柴昌俊获诺奖。美国戴维斯从六十年，戴维斯和小柴昌俊获诺奖。美国戴维斯从六十年代起对太阳中微子进行了三十多年的观测，提出了年代起对太阳中微子进行了三十多年的观测，提出了“太阳太阳中微子震荡中微子震荡”。八十年代是日本的鼎盛时期，日本人砸钱修。八十年代是日本的鼎盛时期，日本人砸钱修了一个了一个“超级神冈探测器超级神冈探测器”。19961996年开始观测，年开始观测，19981998年发现年发现了了“大气中微子震荡大气中微子震荡”并证实了并证实了“太阳中微子震荡太阳中微子震荡”。 据说国际普遍不看好第三种震荡，大亚湾的科学家打算花据

37、说国际普遍不看好第三种震荡，大亚湾的科学家打算花三年时间观测到结果，没想到只花了三年时间观测到结果，没想到只花了5555天就得到了天就得到了5.25.2倍标准倍标准偏差结果。偏差结果。大亚湾实验项目三号实验大厅，于2011年12月24日开始运行 项目于项目于20072007年年1010月动土，月动土，250250名研究人员来自中国、名研究人员来自中国、美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾等六个国家和地区的美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾等六个国家和地区的3434家科研单位。建了总长家科研单位。建了总长3 3公里的隧道和公里的隧道和3 3个地下实验大厅。个地下实验大厅。其中，中国投资其中，中国投资1.5

38、1.5亿元人民币，负责基础设施建设和建亿元人民币，负责基础设施建设和建造一半探测器，美国能源部负责建造另一半探测器。造一半探测器，美国能源部负责建造另一半探测器。 之前决定振荡过程六个参数中的四个已经得到，大亚之前决定振荡过程六个参数中的四个已经得到，大亚湾项目是针对第五个重要参数湾项目是针对第五个重要参数1313混合角。混合角。 如果一个针对性测值是零的话，意味着物质与反物质如果一个针对性测值是零的话，意味着物质与反物质衰变速度一样，即现在物质和反物质应该是一样多，反物衰变速度一样，即现在物质和反物质应该是一样多，反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。如果不是零，那质必然隐藏在我们尚未找到

39、的某个地方。如果不是零，那么就表明两者的衰变速度不同，在宇宙诞生近么就表明两者的衰变速度不同，在宇宙诞生近150150亿年后亿年后的现在，反物质很可能已经衰变掉，所以我们再也没有可的现在，反物质很可能已经衰变掉，所以我们再也没有可能找到能找到反物质世界反物质世界。实验参与者实验参与者Robert McKeownRobert McKeown接受美国接受美国科学科学杂志采杂志采访时说，这很可能是访时说，这很可能是中国至今最重要的物理学成果中国至今最重要的物理学成果。大统一理论grand unified theory 以场论为基础统一描述以场论为基础统一描述弱相互作用弱相互作用、电磁相互作用电磁相互

40、作用和和强相互作用强相互作用的理论。的理论。20世世纪纪60年代，年代，格拉肖格拉肖、温伯格温伯格和和萨拉姆萨拉姆提出提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论简称简称电弱统一理论电弱统一理论。70年代初，强相互作年代初，强相互作用的理论研究取得了重大进展，出现了用的理论研究取得了重大进展，出现了量量子色动力学子色动力学，为大统一理论的研究提供了，为大统一理论的研究提供了较坚实的基础。较坚实的基础。电弱统一理论是电弱统一理论是SU(2)U(1)的规范理论，的规范理论，该模型引入四个规范矢量粒子，通过该模型引入四个规范矢量粒子，通过黑格黑格斯机制斯机制造成对称性

41、自发破缺，使其中一个造成对称性自发破缺，使其中一个保持为无质量的规范粒子，对应传递电磁保持为无质量的规范粒子，对应传递电磁作用的作用的光子光子，其余三个，其余三个W和和Z0获得了质量，获得了质量，成为传递弱作用的成为传递弱作用的中间玻色子中间玻色子。1983年实年实验上发现了验上发现了W和和Z0，其质量与标准模型预，其质量与标准模型预言的一致，给了这一模型强有力的支持。言的一致，给了这一模型强有力的支持。标准模型虽取得了很大的成功，但不少科学家认为它标准模型虽取得了很大的成功，但不少科学家认为它很可能不是粒子物理学最基本的理论，多年来科学家们一很可能不是粒子物理学最基本的理论，多年来科学家们一

42、直在努力建立一种超越标准模型的新理论。直在努力建立一种超越标准模型的新理论。 1973 1973年，美国科学家帕提和萨拉姆提出了统一描述夸年，美国科学家帕提和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提克和轻子的帕提- -萨拉姆模型，预言了质子的衰变。萨拉姆模型，预言了质子的衰变。 1974 1974年，美国科学家乔治和格拉肖提出了把强、弱、年，美国科学家乔治和格拉肖提出了把强、弱、电三种相互作用统一的电三种相互作用统一的SUSU（5 5）大统一理论。该理论预言）大统一理论。该理论预言了质子的衰变。了质子的衰变。 测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键。由测定质子的寿命成为大统一理论能否成立的关键

43、。由于质子寿命很长，估计为于质子寿命很长，估计为10311031年左右，即一年期间在年左右，即一年期间在10311031 个质子中会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的个质子中会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的干扰，整个实验要在地底深处进行。干扰，整个实验要在地底深处进行。 1983 1983年前后，美国、印度、日本等国的科学家做了一年前后，美国、印度、日本等国的科学家做了一些探测质子衰变的实验。些探测质子衰变的实验。 美国一个协作组在俄亥俄州克里弗兰市以东美国一个协作组在俄亥俄州克里弗兰市以东600600多米的多米的一个盐矿中进行实验。探测装置的中部是一个盐矿中进行实验。探测装置的中部是70

44、007000吨纯水，矩吨纯水，矩形体的六面布置了形体的六面布置了20482048只光电倍增管，以此来探测正电子只光电倍增管，以此来探测正电子和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射。经过和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射。经过204204天的连续观察未测到一个质子衰变事例。据此推算，天的连续观察未测到一个质子衰变事例。据此推算，质子的寿命一定大于质子的寿命一定大于1.710321.71032年，从而否定了年，从而否定了SUSU（5 5）大统一理论。大统一理论。 一个由印度和日本科学家组成的实验小组，在地下一个由印度和日本科学家组成的实验小组，在地下30003000米的柯拉金矿的废矿井

45、中进行的实验却传出佳音。两米的柯拉金矿的废矿井中进行的实验却传出佳音。两年内共发现年内共发现6 6个质衰变的事例，其中个质衰变的事例，其中3 3个认为是比较可靠的。个认为是比较可靠的。据此推算，质子的平均寿命约为据此推算，质子的平均寿命约为7103071030年，与大统一理年，与大统一理论相符。但这一实验结果比较粗糙，没有得到公认。质子论相符。但这一实验结果比较粗糙，没有得到公认。质子是否衰变尚在探索之中是否衰变尚在探索之中 。 1999 1999年，日本超级神冈的实验并未能深测到质子衰变，年，日本超级神冈的实验并未能深测到质子衰变，还有一些实验也对大统一理论做出了不利的结论。这至少还有一些实

46、验也对大统一理论做出了不利的结论。这至少说明大统一理论要走相当长的路才能成为一个有效的理论。说明大统一理论要走相当长的路才能成为一个有效的理论。近期近期，大统一理论在两个方向上有所发，大统一理论在两个方向上有所发展。一是与超对称理论结合以克服规范等展。一是与超对称理论结合以克服规范等级问题，同时设法使质子寿命的理论预言级问题，同时设法使质子寿命的理论预言值变长。一是与夸克轻子的下一层次结构值变长。一是与夸克轻子的下一层次结构相联系，试图在更深一层次解决一些悬而相联系，试图在更深一层次解决一些悬而未决的问题。未决的问题。 目前目前，大统一理论的进一步发展是尝试，大统一理论的进一步发展是尝试把引力

47、包括进来建立一个把引力、电弱和把引力包括进来建立一个把引力、电弱和强相互作用统一起来的理论。当前正在蓬强相互作用统一起来的理论。当前正在蓬勃开展的超引力理论和勃开展的超引力理论和超弦理论超弦理论的研究是的研究是大统一理论现阶段发展的新里程碑。大统一理论现阶段发展的新里程碑。 19841984年有人提出超弦（年有人提出超弦（super-stringsuper-string）理论，）理论，该理论认为微观粒子不是一个点而是一条弦，在该理论认为微观粒子不是一个点而是一条弦，在弦的基础上形成一套量子化方法。弦理论预言宇弦的基础上形成一套量子化方法。弦理论预言宇宙除了三维空间外，还存在着额外维空间。宙除了

48、三维空间外，还存在着额外维空间。 20 20世纪世纪9090年代，有人在年代，有人在1010维空间弦理论的基维空间弦理论的基础上提出了础上提出了1111维空间的膜（维空间的膜（M M）理论。认为人们直）理论。认为人们直接观测所及的宇宙是十维时空中的一个四维超曲接观测所及的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面，就象薄薄的一层膜。面，就象薄薄的一层膜。 大统一理论还未获得成功，仍有许多问题有大统一理论还未获得成功，仍有许多问题有待探索。但是寻找四种相互作用统一的研究工作待探索。但是寻找四种相互作用统一的研究工作不会中断，科学家们仍在努力之中。不会中断，科学家们仍在努力之中。 答疑答疑时间：时间：2626日晚上日晚上1919点点地点：本楼三层教师休息室地点：本楼三层教师休息室