第十章原子核及粒子物理学的发展原

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1、一一 人工核反应的实现及质子的发现人工核反应的实现及质子的发现二二 中子中子的发现的发现三三 人工放射性的发现人工放射性的发现四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现五五 正电子的发现正电子的发现六六 中微子的发现中微子的发现七七 介子理论的建立介子理论的建立八八 奇异粒子的研究奇异粒子的研究九九 粒子的分类粒子的分类十十 强子结构和夸克理论强子结构和夸克理论第十章第十章 原子核及粒子物理学的兴起原子核及粒子物理学的兴起2004-12-81山东师范大学物理与电子科学学院原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起 原原子子核核物物理理学学是是研研究究核核的的性性质质、结结

2、构构和和变变化化规规律律、以以及及核核能能、核核技技术术应应用用等等有有关关物物理理问问题题的的学学科科，简简称称核核物物理理，属属于于当当代物理学的前沿。代物理学的前沿。关于关于原子核物理学原子核物理学及及粒子物理粒子物理 原原子子核核物物理理学学及及粒粒子子物物理理的的工工作作实实验验研研究究方方法法: :主主要要是是通通过过高高能能粒粒子子的的相相互互碰碰撞撞，用用实实验验手手段段发发 现现新新粒粒子子。到到目目前前已已经发现了经发现了300300多种。多种。 采采用用的的试试验验设设备备有有加加速速器器、对对撞撞机机、探探测测器器、计计算算机机和和数据处理系统。数据处理系统。 粒子物理

3、粒子物理 ( (高能物理高能物理) )是研究场和粒子的性质、运动、相是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，是当代物理学发展的前沿。学科，是当代物理学发展的前沿。理论基础理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。是量子场论，是解释微观现象的基本理论。2004-12-82山东师范大学物理与电子科学学院 1914年年卢卢瑟瑟福福的的学学生生马马斯斯登登在在观观察察粒粒子子在在空空气气中中的的射射程程时时注注意意到到，粒粒子子在在空空气气中中的的射射程程一一般般只只有有7厘厘米米，但但有有的的

4、粒粒子子的的射射程程竟竟达达40厘厘米米。经经反反复复验验证证和和思思考考，卢卢瑟瑟福福认认为为，这这是是空空气气中中的的氢氢离离子子受受到到粒粒子子的的撞撞击击所所致致。因因为为粒粒子子的的质质量量是是氢氢离离子质量的子质量的4倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。倍，因此氢离子被撞击后速度要大许多。 当当从从阀阀T充充入入氮氮气气，放放射射源源A距距观观察察屏屏S的的距距离离超超过过粒粒子子的的射射程程很很多多时时，屏屏上上仍仍有有闪闪烁烁，射射程程长长度度和和氢氢离离子子的的差差不不多多；当当充充入氧气时却没有这种现象。入氧气时却没有这种现象。一一 人工核反应的实现及质子的发现人工核反应的

5、实现及质子的发现 在上述现象启发下，从在上述现象启发下，从1917年开始，卢瑟福进行了年开始，卢瑟福进行了粒子粒子轰击氮原子核的实验。装置如右图。轰击氮原子核的实验。装置如右图。A为为射线源，可前后移动，射线源，可前后移动，利用显微镜利用显微镜M观察透过窗口观察透过窗口F在荧光屏在荧光屏S上的闪烁。上的闪烁。2004-12-83山东师范大学物理与电子科学学院卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在卢瑟福经过反复实验，终于判定是氮原子在粒子的轰击下发粒子的轰击下发生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。生了核嬗变：从氮核中释放出了氢核（质子）。 1921年年卢卢瑟瑟福福和和查查德德威威克克(J.

6、Chadwick)发发现现硼硼、氟氟、钠钠、铝铝和和磷磷都都可可以以产产生生类类似似的的转转变变。由由于于各各种种原原子子核核里里都都能能打打出出质质子子来来，可见质子是原子核的组成部分。可见质子是原子核的组成部分。 后来英国卡文迪什实验室的后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特布拉凯特在充满氮的云室里做在充满氮的云室里做了了粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从于从40多万条多万条粒子径迹中发现有粒子径迹中发现有8条产生了分叉。从而证实条产生了分叉。从而证实了了人工核反应的实现和质子的产生。人工核反应的实现和质子的产生。为了进一步了

7、解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁为了进一步了解被轰击出的粒子的性质，在实验装置里加进磁场和电场，根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从场和电场，根据粒子在其中的偏转，测出它的质量和电荷，从而确定了该离子就是氢原子核而确定了该离子就是氢原子核-质子。质子。 14N7+4He217O8+1H11919年，卢瑟福明确表达了年，卢瑟福明确表达了粒子轰击氮核的反应过程：粒子轰击氮核的反应过程：2004-12-84山东师范大学物理与电子科学学院1.1.卢瑟福的预言：卢瑟福的预言： 质子发现以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，质子发现以后，人们认为原子核是由电子和质子组成，即质子即质子-

8、 -电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存电子核模型。但是这个模型存在着电子在核内的存在状态问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。在状态问题，并且与量子力学中多体统计及自旋理论相矛盾。为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，为了解释电子为什么能够稳定的存在于核内，卢瑟福提出，可以把质子和电子作为一个复合体，看成是一个单独的中性可以把质子和电子作为一个复合体，看成是一个单独的中性粒子。粒子。二二 中子中子n的发现的发现 19201920年年6 6月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与月，卢瑟福预言：原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。质子质量相同的中性粒

9、子。19211921年美国化学家哈金斯将它命年美国化学家哈金斯将它命名为名为“中子中子”。2004-12-85山东师范大学物理与电子科学学院2.2.中子发现的前奏：中子发现的前奏： 1930年德国物理学家年德国物理学家博特博特(W.G.F.Bothe)与与贝克尔贝克尔(H.Becher)用天然放射性元素用天然放射性元素Po放出的放出的粒子轰击铍粒子轰击铍 Be，发，发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场现从铍放射出一种穿透能力极强的射线。且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的和电场中都不会发生偏转。人们认为是高能量的射线。射线。 1932年年1月，法国物理学

10、家月，法国物理学家约里奥约里奥-居里夫妇居里夫妇重复了博特重复了博特和贝克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中和贝克尔的实验，并用这种新射线轰击石蜡，结果从石蜡中打出大量质子来。约里奥打出大量质子来。约里奥-居里夫妇把这种现象当成是一种强居里夫妇把这种现象当成是一种强射线造成的射线造成的“康普顿效应康普顿效应”。错失发现中子的良机。错失发现中子的良机。2004-12-86山东师范大学物理与电子科学学院 查德威克查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对当时正在卡文迪什实验室作放射性研究。对于于约里奥约里奥-居里夫妇的实验，他不赞同他们的解释。他用这居里夫妇的实验，他不赞同他们的解

11、释。他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素，发现这种射线与通种射线先后照射轻重不同的几种元素，发现这种射线与通常的常的射线性质有所不同：通常射线性质有所不同：通常射线照射到物质上时，物射线照射到物质上时，物质密度越大，对质密度越大，对射线的吸收越厉害，而这种射线刚好相反。射线的吸收越厉害，而这种射线刚好相反。且用它轰击氢原子核时，竟然能被弹回来。说明这种射线且用它轰击氢原子核时，竟然能被弹回来。说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子再利用动量守恒定律进行估算，确定出这

12、种射线中性粒子的质量几乎和质子相同。于是的质量几乎和质子相同。于是查德威克意识到这就是卢瑟查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的福曾经预言的“中子中子”。于是在。于是在19321932年的年的NatureNature上发上发表了表了中子可能存在中子可能存在的论文。的论文。3.3.查德威克的发现：查德威克的发现：2004-12-87山东师范大学物理与电子科学学院4.意义意义1 1）建立了原子核的正确模型。）建立了原子核的正确模型。2 2）引起了一些新的研究课题。）引起了一些新的研究课题。3 3）由由于于中中子子不不带带电电，因因此此就就使使人人们们在在核核物物理理的的研研究究中中，拥拥有有了了一一

13、颗颗威威力力无无比比的的炮炮弹弹，人人们们利利用用它它打打开开了了核核能能仓仓库库，昂昂首首迈入原子能时代迈入原子能时代! ! 查查德德威威克克的的成成功功，是是他他能能够够将将理理论论预预言言与与实实验验现现象象密密切切结合，抓住机遇的结果。结合，抓住机遇的结果。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起查查德德威威克克2004-12-88山东师范大学物理与电子科学学院伊伊伦伦娜娜居居里里和和约约里里奥奥居居里里原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起2004-12-89山东师范大学物理与电子科学学院 他们又用他们又用粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和硅。粒子轰击硼和

14、镁，得到放射性同位素氮和硅。这样这样约里奥约里奥-居里夫妇因人工放射性的发现而获得居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935年诺贝年诺贝尔化学奖。也为核物理的研究及原子能利用开辟了道路。尔化学奖。也为核物理的研究及原子能利用开辟了道路。三三 人工放射性的发现人工放射性的发现 1934年年1月，约里奥月，约里奥-居里夫妇用居里夫妇用粒子轰击铝，发现撤粒子轰击铝，发现撤走放射源后，还可检测到放射性。走放射源后，还可检测到放射性。 化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射化学分析表明，他们得到了自然界中并不存在的放射性同位素磷性同位素磷-30，即：，即：27Al13 + 4He2 30P15 +

15、 1n0磷磷-30经经衰变放出正电子衰变放出正电子, ,变成稳定元素硅变成稳定元素硅: :3030P P15 15 3030SiSi14 14 + + 0 0e e1 12004-12-810山东师范大学物理与电子科学学院 后来人们发现，用后来人们发现，用粒子轰击轻元素能够得到放射性同粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素，但用位素，但用粒子轰击重元素，则很难产生。粒子轰击重元素，则很难产生。 费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷费米考虑了这一问题，认为，重元素原子核所带正电荷较大，与较大，与粒子的库仑斥力很难让粒子的库仑斥力很难让粒子产生轰击效果。所粒子产生轰击效果。所以他选用中子作

16、实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的以他选用中子作实验，尽管中子的产额很少（核反应放出的中子一般少于中子一般少于10-4），但由于它不必克服库仑势垒，所以与），但由于它不必克服库仑势垒，所以与原子核撞击的机会比原子核撞击的机会比粒子或质子大得多。粒子或质子大得多。2004-12-811山东师范大学物理与电子科学学院1.1.慢中子效应的发现：慢中子效应的发现： 19341934年年1010月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内月，费米小组的阿玛尔迪等人把一装在铅盒内的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发的中子源放置在一个银制的圆筒里，对银进行辐射，他们发现银的放射性随中子源的位

17、置而变化，由于铅是重金属，费现银的放射性随中子源的位置而变化，由于铅是重金属，费米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大块石蜡挖米建议他们用轻元素材料，如石蜡，于是他们把大块石蜡挖了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性了个洞，将中子源放入，然后辐照银圆筒，结果银的放射性增加了增加了100100倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。倍。再放到水下做实验，证实水也有类似作用。四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现 费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）费米经过分析，认为：由于石蜡中大量的氢核（质子）与中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。

18、与中子质量相近，中子碰撞后速度大大减慢，成为慢中子。慢中子经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获慢中子经过银原子核的时间变长了，因此增加了中子被俘获的机会。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及的机会。因为慢中子大大增强了轰击的效果，所以慢中子及其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础。因此，其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础。因此，人们将人们将慢中子及其效应的发现看作是慢中子及其效应的发现看作是“核时代的起点核时代的起点”。2004-12-812山东师范大学物理与电子科学学院 1934年，用中子轰击了年，用中子轰击了63种元素，得到了种元素，得到了37种放射性种放射性同位素。

19、在实验中，发现同位素。在实验中，发现了慢中子及其效应。了慢中子及其效应。在用慢中子轰在用慢中子轰击原子核的反应中，他又发现可生成新的元素。费米因利用击原子核的反应中，他又发现可生成新的元素。费米因利用慢中子轰击原子核引起有关核反应和利用中子辐射发现新的慢中子轰击原子核引起有关核反应和利用中子辐射发现新的放射性元素，获得了放射性元素，获得了1938年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。由于受法西斯由于受法西斯迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学迫害，借领诺贝尔奖之机，携家移居美国，在哥伦比亚大学任教。任教。费米简介：费米简介：美籍意大利物理学家，美籍意大利物理学家，19011901

20、年出生于罗马。年出生于罗马。1717岁岁进入比萨大学，以进入比萨大学，以X X射线的专题论文获得博士学位。射线的专题论文获得博士学位。之后赴之后赴德国格丁根大学，拜玻恩为师，德国格丁根大学，拜玻恩为师，19241924年回意大利年回意大利佛罗伦萨大佛罗伦萨大学学任教任教，并因并因在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意。19192626年，年，任罗马大学理论物理学教授，任罗马大学理论物理学教授，19271927年提出费米年提出费米- -狄狄拉克统计理论，拉克统计理论，19331933年提出年提出衰变理论。衰变理论。 获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变

21、的链式反应获奖之后，费米与一些科学家们在核裂变的链式反应研究中，同时预见到制造原子武器的危险。研究中，同时预见到制造原子武器的危险。2004-12-813山东师范大学物理与电子科学学院当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以当时德国的核裂变也已实验成功，他们非常担心德国首先用以制造原子弹。于是，制造原子弹。于是，费米费米、西拉德西拉德等科学家于等科学家于1939年年8月一起月一起找到了找到了爱因斯坦爱因斯坦，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提，要求借助他的威望上书美国总统罗斯福，提醒政府要切实注意德国的动向和已出现的危险，建议尽一切力醒政府要切实注意德国的动向和已出现的危险，

22、建议尽一切力量要赶在德国纳粹分子之前造出原子弹，以消灭法西斯。上书量要赶在德国纳粹分子之前造出原子弹，以消灭法西斯。上书信于信于10月月11日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员日转到罗斯福手中，他立即下令成立铀矿顾问委员会，并拨了研究经费，会，并拨了研究经费，1941年年12月月6日，日本偷袭珍珠港的前日，日本偷袭珍珠港的前一天批准了制造原子弹的庞大工程计划。为保密而取名一天批准了制造原子弹的庞大工程计划。为保密而取名“曼哈曼哈顿计划顿计划”。 1954年年11月月28日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥，年仅53岁。为纪念他，第岁。为纪念他，第100号元

23、素以他的名字命名为镄。号元素以他的名字命名为镄。 1942年年12月月2日，以费米为首的一批美国科学家建造了日，以费米为首的一批美国科学家建造了第一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。第一座原子反应堆，人们利用原子能的时代从此开始。 2004-12-814山东师范大学物理与电子科学学院2004-12-815山东师范大学物理与电子科学学院 19341934年，当年，当费米小组费米小组用中子轰击铀用中子轰击铀2382389292U U时，得到了半时，得到了半衰期为衰期为1313分钟的一种放射性产物。分钟的一种放射性产物。2.2.核裂变的发现：核裂变的发现： 但德国女化学家但德国女化学家诺达

24、克夫人诺达克夫人( (T.NoddackT.Noddack) )提出不同看法，她提出不同看法，她认为：认为：“当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块。这当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块。这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻邻”。但这一观点没有引起。但这一观点没有引起费米费米等人的注意，甚至当时的放等人的注意，甚至当时的放射性权威射性权威哈恩哈恩认为诺达克夫人的观点认为诺达克夫人的观点“纯粹是谬论纯粹是谬论”。 经分析它不属于铅经分析它不属于铅- -铀之间的重元素。按照已知核反应铀之间的重元素。按照已知核反应规律，

25、当中子轰击原子核时，原子序数将增规律，当中子轰击原子核时，原子序数将增1 1，产生一新元，产生一新元素。素。19341934年年5 5月费米在月费米在NatureNature上发表了一篇短文上发表了一篇短文原子原子序数高于序数高于9292的元素可能生成的元素可能生成，报道了可能是一种，报道了可能是一种“超铀超铀”元素元素9393。在随后的。在随后的4-54-5年里，人们又陆续年里，人们又陆续“发现发现”了超铀元了超铀元素素9494、9595、9696和和9797号号“超铀超铀”新元素。新元素。2004-12-816山东师范大学物理与电子科学学院 19381938年，年，伊伦伊伦- -居里和南斯

26、拉夫的沙维奇居里和南斯拉夫的沙维奇( (P.SavitchP.Savitch) )进进行了有关行了有关“超铀超铀”元素的分离和分析实验。他们用中子轰击元素的分离和分析实验。他们用中子轰击铀，产生了半衰期为铀，产生了半衰期为3.53.5小时的放射性元素，其性质接近镧小时的放射性元素，其性质接近镧（镧原子序数为（镧原子序数为5757，后证实是镧，后证实是镧-141-141），于同年），于同年5 5月将实验月将实验结果发表在结果发表在科学院通讯科学院通讯上。由于产生的放射性元素同铀上。由于产生的放射性元素同铀和和“超铀超铀”元素的差别太大，又没有意识到重核的分裂，于元素的差别太大，又没有意识到重核的

27、分裂，于是放弃了实验。是放弃了实验。 当时德国化学家当时德国化学家哈恩哈恩及犹太血统的奥地利女化学家及犹太血统的奥地利女化学家迈特迈特纳纳( (L.MeitnerL.Meitner) )也正在从事放射性研究。看到伊伦也正在从事放射性研究。看到伊伦- -居里的文居里的文章后认为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，章后认为他们一定是搞错了，于是立即重复了居里的实验，结果证实了伊伦结果证实了伊伦- -居里和沙维奇的结果。亦即肯定在中子轰居里和沙维奇的结果。亦即肯定在中子轰击重核时确有中间元素（镧和钡）产生。击重核时确有中间元素（镧和钡）产生。19391939年年1 1月，德国月，德国自然科学

28、自然科学杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果。杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果。2004-12-817山东师范大学物理与电子科学学院 哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研哈恩写信将结果告诉为了避难正在斯德格尔摩诺贝尔研究所工作的究所工作的迈特纳迈特纳。迈特纳和她的侄子。迈特纳和她的侄子弗里胥弗里胥( (O.FrischO.Frisch，19341934年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作年流亡国外，在玻尔理论物理研究所工作) )对哈恩的结对哈恩的结果进行了讨论。弗里胥在玻尔果进行了讨论。弗里胥在玻尔“液滴核模型液滴核模型”的启发下，想的启发下，想到：如果核被中子击中也许会以

29、巨大的能量分裂。到：如果核被中子击中也许会以巨大的能量分裂。 几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了几天后，弗里胥回到哥本哈根，将自己的想法告诉了玻玻尔尔。玻尔听了十分高兴，惊呼：。玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该如此正应该如此”。于是弗里。于是弗里胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂的产生。胥和迈特纳随即联名写文章，论证重核分裂的产生。 重核裂变的现象终于真相大白。重核裂变的现象终于真相大白。“裂变裂变(fission)”(fission)”一一词也由此产生。词也由此产生。2004-12-818山东师范大学物理与电子科学学院 重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核重核裂变一

30、经证实，人们立即转向由此可能释放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨要利用这一巨大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。大能量，必要条件是有可能产生自持的链式反应。3.3.链式反应：链式反应： 费米小组证明铀核每次裂变平均可产生费米小组证明铀核每次裂变平均可产生2 2个中子。他们个中子。他们选择铀选择铀235235与石墨做实验。并在军方的支持下开始了与石墨做实验。并在军方的支持下开始了曼哈顿曼哈顿工程。工程。 约里奥和他的同事们首先提出了约里奥和他的同事们首先提出了“中子过剩中子过剩”问题：问题：轻核轻核中子和质子数近于相等，中子和质

31、子数近于相等，中等核中等核中子数略多，中子数略多，重核重核中中子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必子数比质子数大的多。因此重核分裂成两个较轻核时，必然出现中子过剩。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反然出现中子过剩。如果过剩的中子又去轰击重核，连锁反应即可发生。应即可发生。2004-12-819山东师范大学物理与电子科学学院 1941年年12月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场月开始，费米选择了芝加哥大学的一座运动场的看台下做为实验区，开始了核反应实验。但有两个问题需的看台下做为实验区，开始了核反应实验。但有两个问题需要解决，要解决，一是把中子减速为慢中子，一是把中子减速为慢中

32、子，以提高核裂变的效率；以提高核裂变的效率；重水是很好的中子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速重水是很好的中子减速剂，但成本太高，普通水对中子减速太快，且有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。太快，且有很强的吸收；最后选择石墨作为中子减速剂。二二是严格控制核裂变的反应速度是严格控制核裂变的反应速度。最后选择了镉来吸收中子，。最后选择了镉来吸收中子，以控制核裂变速度。设计方案为以控制核裂变速度。设计方案为 将反应堆作成立方点阵形式，将反应堆作成立方点阵形式，铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。铀层和石墨层间隔的布置在方阵中。 1942年年12月月1日反应堆砌好，并达到临界状态。次日抽日反应堆砌

33、好，并达到临界状态。次日抽出控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为出控制用的镉棒，自持的链式反应产生了，得到的功率为0.5瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。瓦。人类第一次实现了原子能的可控释放。为了保密，他们为了保密，他们用暗语向美国国家保卫研究委员会主席通话说用暗语向美国国家保卫研究委员会主席通话说:“意大利航海意大利航海家登上了新大陆家登上了新大陆” 。从此开始了原子能利用的新纪元。从此开始了原子能利用的新纪元。第一座原子反应堆第一座原子反应堆2004-12-820山东师范大学物理与电子科学学院原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起 原子弹利用的是原子弹利用的是

34、没有催化剂且不加以控制没有催化剂且不加以控制的原子核裂的原子核裂变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大变链式反应。美国动用了大量人力、物力，集结了世界大量的科学人才。量的科学人才。 19451945年年7 7月月1616日，日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一颗原子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放子弹。爆炸产生了上千万度的高温，几百万个大气压，放置原子弹的钢塔顿时化成了气体。置原子弹的钢塔顿时化成了气体。 杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本。杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本。 19451945年年8 8月月6 6日日第一枚原

35、子弹投在广岛，第一枚原子弹投在广岛，8 8月月9 9日又在长日又在长崎投了第二颗，广岛死崎投了第二颗，广岛死78,15078,150人，长崎死人，长崎死23,70023,700人。人。原子弹原子弹 前苏联前苏联于于19491949年年2 2月月2222日，爆炸了第一颗原子弹。日，爆炸了第一颗原子弹。英英国国于于19521952年年1010月月3 3日、日、法国法国于于19601960年年2 2月月1313日、日、中国中国于于19641964年年1010月月1616日，分别爆炸了第一颗原子弹。日，分别爆炸了第一颗原子弹。2004-12-821山东师范大学物理与电子科学学院原原 子子 核核 物物

36、理理 学学 的的 兴兴 起起氢弹氢弹 继原子弹后，又制造继原子弹后，又制造了威慑能力更大的氢弹。了威慑能力更大的氢弹。我国政府提出了不首先使我国政府提出了不首先使用核武器倡议，并在用核武器倡议，并在19961996年宣布停止核试验。全世年宣布停止核试验。全世界现已拥有核弹头界现已拥有核弹头5 5万多万多个，相当于广岛原子弹的个，相当于广岛原子弹的100100万倍。万倍。氢氢 弹弹2004-12-822山东师范大学物理与电子科学学院1)原子能发电站原子能发电站 1954年年6月月27日，前苏联在莫斯科附近首先建成，现已日，前苏联在莫斯科附近首先建成，现已有有40多个国家拥有多个国家拥有400多座

37、核电站。核电站虽然一次性投资较多座核电站。核电站虽然一次性投资较大，但以后核电的成本低，比火电成本低大，但以后核电的成本低，比火电成本低30%左右，核电站左右，核电站还具有由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、还具有由运行安全，环境污染小等优点，所以已经在美、法、日、德、俄等国广泛采用。日、德、俄等国广泛采用。原原 子子 核核 物物 理理 学学 的的 兴兴 起起2)2)用于农业用于农业 螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，螺旋虫曾在美国南部和墨西哥肆虐，能在家畜中产卵，害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射害死家畜。繁殖极快。美国以毒攻毒，将螺旋虫用核辐射处理

38、，使之无生育能力，但能交配，处理，使之无生育能力，但能交配，18个月内，每星期播个月内，每星期播放放5千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。千万只这样的虫子，整个地区螺旋虫被消灭。4.核能的应用核能的应用2004-12-823山东师范大学物理与电子科学学院2004-12-824山东师范大学物理与电子科学学院 安德逊安德逊(C.D.Anderson)：美国加州理工学院密立根教授的学：美国加州理工学院密立根教授的学生，生，1930年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为年起负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为了鉴别宇宙射线的性质，在云室中安有几块金属板，粒子穿过了鉴别宇宙射线的性质，

39、在云室中安有几块金属板，粒子穿过金属板，就可区别其能量。金属板，就可区别其能量。1932年年8月月2日，安德逊在照片中日，安德逊在照片中发现一条奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向，发现一条奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断得出结论：这是带正电的于是他果断得出结论：这是带正电的 电子。安德逊因此获得电子。安德逊因此获得1936年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄拉克的电子理年的饿诺贝尔物理学奖。当时他并不了解狄拉克的电子理论，也不知道狄拉克预言过正电子

40、的存在。论，也不知道狄拉克预言过正电子的存在。五五 正电子的发现正电子的发现 1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相对论电子波动方程了相对论电子波动方程-狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，另两个解应对应于电子负能态的另两个解应对应于电子负能态的“空穴空穴”-即反电子。即反电子。2004-12-825山东师范大学物理与电子科学学院1.1.中微子概念的提出：中微子概念的提出： 中微

41、子概念的提出，与原子核的中微子概念的提出，与原子核的衰变有直接联系。衰变有直接联系。 19141914年查德威克证明年查德威克证明射线和射线和射线的能谱是分立的，射线的能谱是分立的，在衰变中发射的粒子所带走的能量正好与原子核初态末态在衰变中发射的粒子所带走的能量正好与原子核初态末态的能量差相等。的能量差相等。 但是，但是，射线的能谱是连续的。也就是说，射线的能谱是连续的。也就是说，衰变发衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？六六 中

42、微子的发现中微子的发现 19301930年泡利提出：年泡利提出：“只有假定在只有假定在衰变过程中，伴随衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使射出来，使“中子中子”和电子的能量之和为常数，才能解释连和电子的能量之和为常数，才能解释连续续谱。谱。”这里泡利指的这里泡利指的“中子中子”即是中微子。即是中微子。2004-12-826山东师范大学物理与电子科学学院 费米接受了泡利的假说，并于费米接受了泡利的假说，并于19341934年提出弱相互作用的年提出弱相互作用的衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激

43、衰变理论。费米认为，正象光子在原子或原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在衰变中产生的。衰变中产生的。-衰变的本质是核内一个中子变为一个质衰变的本质是核内一个中子变为一个质子；子；+ +衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作衰变是一个质子变为一个中子。质子和中子可以看作是一个核子的两个不同状态，因此质子和中子之间的转变，是一个核子的两个不同状态，因此质子和中子之间的转变，就相当于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同就相当于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。他们事先并不存

44、在于核内，导致产生时放出电子和中微子。他们事先并不存在于核内，导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用的相互作用弱相互作用。弱相互作用。 + +衰变就是约里奥衰变就是约里奥- -居里夫妇发现的居里夫妇发现的发射正电子的人工放射性。发射正电子的人工放射性。2004-12-827山东师范大学物理与电子科学学院2.2.中微子的间接验证：中微子的间接验证： 中微子不带电，只参与弱相互作用，且穿透能力极强，几中微子不带电，只参与弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测十分困难。乎可以不受

45、任何阻碍的穿过地球，所以中微子的探测十分困难。19411941年，我国物理学家年，我国物理学家王金昌王金昌首先提出了一个间接探测中微子首先提出了一个间接探测中微子的方法。的方法。 他指出：他指出：“当一个当一个+放射性原子不是放射一个正电子，放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅而是俘获一个层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。仅取决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射

46、出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的射线被射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。”19421942年，美国物理学家年，美国物理学家艾伦艾伦(J.S.Allen)(J.S.Allen)按上述方案进行按上述方案进行了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。19521952年又重新进年又重新进行了实验，测出了原子的反冲能。行了实验，测出了原子的反冲能。戴戴维斯维斯(R.Davis)(R.Davis)也成功地也成功地重复了艾伦重复了艾伦19421942年

47、的实验。年的实验。 这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。2004-12-828山东师范大学物理与电子科学学院3.3.中微子的直接检测：中微子的直接检测： 在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。物的探测，有可能确证中微子的存在。19561956年，年，洛斯洛斯阿拉莫阿拉莫斯实验室斯实验室的美国物理学家的美国物理学家柯恩柯恩( (C.CowanC.Cowan) )和和莱因斯莱因斯( (F.ReinesF.Reines) )首先在核反应堆中检测到。首先在核反应堆

48、中检测到。 他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究下面反应下面反应过程：过程： 通过探测出反应产物：正电子通过探测出反应产物：正电子e e+ +和中子和中子n n ，并测出确切，并测出确切的反中微子与质子的反中微子与质子p p的反应截面，就可以证明反中微子的存的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰苦的工作，他们终于在在。通过艰苦的工作，他们终于在19561956年宣布实验结果与理年宣布实验结果与理论预期相符。论预期相符。2004-12-829山东师范大学物理与电子科学学院4.4.中微子的研究进展：中微子的研究进展： 19621962年年，美美

49、国国的的施施瓦瓦茨茨( (M.SchwartzM.Schwartz) )等等人人通通过过加加速速器器进进行行实实验验，又又证证实实了了两两种种不不同同的的中中微微子子e e；7070年年代代中中期期，美美国国的的佩佩尔尔( (M.L.PerlM.L.Perl) )小小组组在在APEARAPEAR的的正正负负电电子子对对撞撞机机中中又又发发现现了了另另外外两两种种中中微微子子和和反反。至至此此，中中微微子子就有了六个且只有六个：就有了六个且只有六个：2004-12-830山东师范大学物理与电子科学学院 到到目目前前为为止止，中中微微子子质质量量的的测测量量仍仍在在继继续续中中，但但实实验验检检测

50、测只只能能减减小小中中微微子子质质量量的的上上限限，如如目目前已经测量到：前已经测量到： 对对中中微微子子的的质质量量是是否否为为零零，一一直直存存在在质质疑疑，原原因因有有两两个个方面：方面：若若中中微微子子的的质质量量不不为为零零，存存在在中中微微子子振振荡荡，则则太太阳阳中中微微子子失踪之谜就揭开了；失踪之谜就揭开了；有有关关暗暗物物质质问问题题。天天体体当当中中有有些些物物质质看看不不见见，但但存存在在，称称为为暗暗物物质质。暗暗物物质质是是什什么么? ? 可可能能是是黑黑洞洞、死死星星、宇宇宙宙尘尘埃埃或或某某种种气气体体等等，已已经经知知道道暗暗物物质质不不是是由由重重子子组组成成

51、，若若中中微微子子质质量不为零，则可能中微子是其组成之一。量不为零，则可能中微子是其组成之一。5.5.中微子的质量：中微子的质量：2004-12-831山东师范大学物理与电子科学学院七七 介子理论的建立介子理论的建立 在原子核性质的研究过程中，人们逐渐明确了核力与核子在原子核性质的研究过程中，人们逐渐明确了核力与核子是否带电无关，核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范是否带电无关，核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范围约为围约为10-13厘米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，因厘米。这种力远比电荷间的电磁相互作用强大，因此不能简单的归结为电磁相互作用，而是一种强相互作用。此不能简单的

52、归结为电磁相互作用，而是一种强相互作用。1.汤川的预言：汤川的预言：1935年，日本物理学家年，日本物理学家汤川秀树汤川秀树(H.Yukawa)提出提出介子理论，用于解释强相互作用。他认为，核子之间是通过交介子理论，用于解释强相互作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子换一种可称为介子(meson)的粒子发生相互作用。并根据核力的的粒子发生相互作用。并根据核力的作用范围，估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。作用范围，估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。1949年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。2.介介子的发现：子的发现：19371937年年安德森安德森和和尼德迈耶尼德迈

53、耶( (S.H.NeddemeyerS.H.Neddemeyer) )在宇在宇宙射线的研究中发现了质量约为电子的宙射线的研究中发现了质量约为电子的207207倍的新粒子，称为倍的新粒子，称为介子。但由于介子。但由于介子与原子核的相互作用很弱，不可能是汤介子与原子核的相互作用很弱，不可能是汤川所预言的介子。川所预言的介子。19471947年，英国物理学家年，英国物理学家鲍威尔鲍威尔( (C.F.PowellC.F.Powell) )用用核乳胶技术探测宇宙射线，发现了另一种粒子，质量为电子的核乳胶技术探测宇宙射线，发现了另一种粒子，质量为电子的273273倍，称为倍，称为介子。介子。 介子才是汤川

54、预言的介子。介子才是汤川预言的介子。2004-12-832山东师范大学物理与电子科学学院八八 奇异粒子的研究奇异粒子的研究1.发现：发现：1947年，在宇宙射线的研究中，年，在宇宙射线的研究中，罗切斯特罗切斯特(G.D.Roechester)和巴特勒和巴特勒(C.C.Butler)首先在曼彻斯特大学用云室首先在曼彻斯特大学用云室观察到了奇异的观察到了奇异的“V”型事件：如右图示，型事件：如右图示，虚线表示电中性粒子虚线表示电中性粒子V0，实线为带电粒，实线为带电粒子。根据他们在磁场中的偏转曲率和电子。根据他们在磁场中的偏转曲率和电离密度，可知离密度，可知V0的产物是的产物是p和和- -。 19

55、54年年，在在美美国国布布鲁鲁克克海海汶汶实实验验室室，3GeV同同步步质质子子加加速速器器投投入入使使用用，开开始始实实现现了了人人工工产产生生“V”型型粒粒子子，这这些些粒粒子子的的性性质质才才得得以以研研究究。由由于于这这些些粒粒子子有有自自己己奇奇特特的的性性质质，所所以以称称为为奇奇异异粒粒子子。比比核核子子重重的的奇奇异异粒粒子子又又称称超超子子，如如、+ +、0 0、- -、0 0、- -等等，表表示示为为V V0 01 1；比比核核子子轻轻又又比比介介子子重重的的介介子子则用则用V V0 02 2表示，如表示，如K+、K0、K-、等。等。2004-12-833山东师范大学物理与

56、电子科学学院2.奇奇异异粒粒子子的的两两个个特特性性：协协同同产产生生、非非协协同同衰衰变变：即即在在碰碰撞撞过过程程中中，它它们们总总是是同同时时产产生生，可可是是衰衰变变时时却却独独立立的的进进行行，最最终终成成为为普普通通粒粒子子；快快产产生生，慢慢衰衰变变（强强产产生生，弱弱衰衰变变）。奇奇异异粒粒子子的的产产生生过过程程是是强强相相互互作作用用过过程程，截截面面很很大大，碰碰撞撞的的时时间间量量级级为为10-24S，而而衰衰变变是是弱弱相相互互作作用用过过程程，或或电电磁磁相相互互作作用用过过程程，所以奇异粒子的平均寿命都较长，是稳定粒子。所以奇异粒子的平均寿命都较长，是稳定粒子。

57、1953年年，盖盖尔尔曼曼(M.Gell-Mann)和和西西岛岛(NiShijima)用用一一新新的的量量子子数数奇奇异异数数来来表表示示这这一一特特性性，并并假假定定在在强强相相互互作作用用中中奇奇异异数数守守恒恒，而而在在弱弱相相互互作作用用中中奇奇异异数数可可以以不不守守恒恒，从从而而解解释释了奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实。了奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实。3.3.- -疑难：疑难：当时对最轻的奇异粒子（现在称为当时对最轻的奇异粒子（现在称为K K介子）的介子）的衰变过程发现了一个疑难：质量、寿命、电荷都相同的两种粒衰变过程发现了一个疑难：质量、寿命、电荷都相同的两种粒

58、子子-介子和介子和介子，介子，衰变时，衰变时，衰变为两个衰变为两个介子，介子，它们的它们的宇称为正宇称为正；衰变为衰变为3 3个个介子介子，它们的宇称则为负它们的宇称则为负。也就是也就是说说粒子与粒子与粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称。粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称。鉴于鉴于质量、寿命和电荷都相同，这两种粒子应为同一种，但从其衰质量、寿命和电荷都相同，这两种粒子应为同一种，但从其衰变行为看，如果宇称守恒，则变行为看，如果宇称守恒，则和和就不可能是同一种粒子。就不可能是同一种粒子。2004-12-834山东师范大学物理与电子科学学院 1956年的夏天，年的夏天，杨振宁与李政道杨振宁与李

59、政道一起，查阅了当时已有的一起，查阅了当时已有的关于关于“宇称守恒宇称守恒”这个概念的实验基础以后，这个概念的实验基础以后，指出指出：这一疑难这一疑难的关键在于人们认为微观粒子的在运动过程种宇称守恒，强相的关键在于人们认为微观粒子的在运动过程种宇称守恒，强相互作用和电磁相互作用的过程中，宇称守恒是经过实验检验的，互作用和电磁相互作用的过程中，宇称守恒是经过实验检验的，但在弱相互作用过程中，宇称并没有得到判决性的检验，没有但在弱相互作用过程中，宇称并没有得到判决性的检验，没有根据说它一定守恒。根据说它一定守恒。如果如果“宇称守恒宇称守恒”在弱相互作用中并不成在弱相互作用中并不成立，那么立，那么“

60、宇称宇称”的概念就不能应用在的概念就不能应用在粒子和粒子和粒子的衰变机粒子的衰变机制中。这样，制中。这样，粒子与粒子与粒子就可以是同一种粒子，粒子就可以是同一种粒子， - -疑难疑难即可迎刃而解。即可迎刃而解。 与此同时，他们还建议可以用与此同时，他们还建议可以用衰变等实验来衰变等实验来检验检验他们的他们的推测。几个月后，哥伦比亚大学美籍华裔推测。几个月后，哥伦比亚大学美籍华裔吴健雄吴健雄教授与美国华教授与美国华盛顿国家标准局的四位物理工作者一起，用钴盛顿国家标准局的四位物理工作者一起，用钴6060的衰变实验证的衰变实验证实了在这种实了在这种衰变过程中宇称确实不守恒。此后还有其他的实衰变过程中

61、宇称确实不守恒。此后还有其他的实验也证实这个结论的正确性。于是，在弱相互作用下的宇称守验也证实这个结论的正确性。于是，在弱相互作用下的宇称守恒原理，终于被推翻了。杨振宁与李政道恒原理，终于被推翻了。杨振宁与李政道因此因此共同获得共同获得19571957年年诺贝尔物理奖。同年获得爱因斯坦科学奖。诺贝尔物理奖。同年获得爱因斯坦科学奖。 2004-12-835山东师范大学物理与电子科学学院粒粒 子子 物物 理理 学学 的的 发发 展展杨杨振振宁宁李李政政道道2004-12-836山东师范大学物理与电子科学学院李李政政道道和和杨杨振振宁宁杨杨振振宁宁、李李政政道道大大胆胆提提出出粒粒子子在在弱弱相相互

62、互作作用用中中，宇宇称不一定守恒，称不一定守恒，粒子和粒子和粒子可能是同一种粒子。粒子可能是同一种粒子。粒粒 子子 物物 理理 学学 的的 发发 展展2004-12-837山东师范大学物理与电子科学学院吴健雄的实验验证吴健雄的实验验证 吴健雄做了极化钴吴健雄做了极化钴6060原子核原子核衰变实验，衰变实验，将钴将钴6060置于置于0.01K0.01K的低温的低温环境中的磁场内，实验环境中的磁场内，实验说明了说明了 衰变规律宇称衰变规律宇称不守恒，使杨、李的观不守恒，使杨、李的观点得到了验证，打破了点得到了验证，打破了人们的传统观念。人们的传统观念。吴吴 健健 雄雄粒粒 子子 物物 理理 学学

63、的的 发发 展展2004-12-838山东师范大学物理与电子科学学院九九 粒子的分类粒子的分类 在粒子物理学的发展过程中，提出过不同的分类方案，如在粒子物理学的发展过程中，提出过不同的分类方案，如早期按粒子的质量分类：光子（早期按粒子的质量分类：光子（0 0）、轻子（轻）、介子）、轻子（轻）、介子（轻子和重子之间）、重子（重）；（轻子和重子之间）、重子（重）；按粒子的寿命分为稳定粒子（平均寿命按粒子的寿命分为稳定粒子（平均寿命1010-18-18s)s)和不稳定粒和不稳定粒子（平均寿命在子（平均寿命在1010-20-20-10-10-24-24S S）；）；分为粒子和反粒子。分为粒子和反粒子。

64、反粒子：反粒子：反粒子的质量、寿命、自旋等与粒子相同，而电荷等反粒子的质量、寿命、自旋等与粒子相同，而电荷等相加性量子数与粒子异号。相加性量子数与粒子异号。 首先从理论上预言反粒子存在的人，是英国人狄拉克。首先从理论上预言反粒子存在的人，是英国人狄拉克。2525岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献。此后他致力岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献。此后他致力于建立相对论性电子理论。终于他提出了著名的狄拉克方程。于建立相对论性电子理论。终于他提出了著名的狄拉克方程。该方程不仅简洁、优美，而且还能解出实验的自旋值和磁矩值，该方程不仅简洁、优美，而且还能解出实验的自旋值和磁矩值，精细结构，

65、将量子力学中的康普顿散射、塞曼效应等事实，通精细结构，将量子力学中的康普顿散射、塞曼效应等事实，通过相对论电子理论统一起来。过相对论电子理论统一起来。2004-12-839山东师范大学物理与电子科学学院19551955年年赛赛格格雷雷、张张伯伯伦伦在在高高能能加加速速器器上上获获得得了了反反质质子子。19561956年年发发现现反反中中子子。19591959年年，我我国国科科学学家家王王淦淦昌昌发发现现了了反反西西格格马马负负超超子子（ ）。人人们们又又开开始始想想到到能能否否用用反反质质子子、反反中中子子、正电子，组成一个反原子。正电子，组成一个反原子。1995年年开开始始，欧欧洲洲粒粒子子

66、研研究究中中心心的的科科学学家家，在在(LEAR)低低能能反反质质子子环环中中，产产生生了了9个个反反氢氢原原子子，虽虽然然它它们们存存在在的的时时间间仅仅为为三三亿亿分分之之四四秒秒，但但是是，却却将将人人们们对对物物质质的的认认知知领领域域大大大大扩展了。扩展了。粒粒 子子 物物 理理 学学 的的 发发 展展赛赛格格雷雷像像2004-12-840山东师范大学物理与电子科学学院张张伯伯伦伦像像粒粒 子子 物物 理理 学学 的的 发发 展展2004-12-841山东师范大学物理与电子科学学院 现在公认的科学分类方法是现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来按粒子参与相互作用的类型来分

67、分。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三种相比太弱，弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三种相比太弱，因此粒子物理学中不考虑它。因此粒子物理学中不考虑它。轻子：轻子：主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用，自旋主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用，自旋都是都是1/21/2，所以是费米子；，所以是费米子；轻子必定以粒子与反粒子对的形式生轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。电子等成湮灭。电子等6 6种是轻子，加上它们的反粒子，轻子共种是轻子，加上它们的反粒子，轻子共1212

68、种。种。强子：强子：直接参与强相互作用的粒子统称为强子，强子也参与直接参与强相互作用的粒子统称为强子，强子也参与弱作用，带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重弱作用，带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重子两类：自旋为整数或零的称为介子，如子两类：自旋为整数或零的称为介子，如、K K、等；自旋为等；自旋为半整数的称为重子，如半整数的称为重子，如p p、n n、等；等；规范玻色子：规范玻色子：是传递各种相互作用的中介者，它们是传递电是传递各种相互作用的中介者，它们是传递电磁作用的光子；传递弱作用的磁作用的光子；传递弱作用的W W、Z Z0 0，传递强作用的胶子。胶，传递强作用的胶

69、子。胶子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。2004-12-842山东师范大学物理与电子科学学院十十 强子结构和夸克理论强子结构和夸克理论1.坂田模型坂田模型 最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁，最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁，1949年他们提年他们提出，出，介子是由核子（质子、中子）和它们的反粒子（反质子介子是由核子（质子、中子）和它们的反粒子（反质子和反中子）组成。由于当时反质子和反中子尚未发现，所以，和反中子）组成。由于当时反质子和反中子尚未发现，所以，这一模型的提出需要一定的知识积累和胆识。这一模型的提出需要一定的知识积累和胆识。 1955年，

70、坂田昌一提出年，坂田昌一提出“坂田模型坂田模型”：强子都是由质子、：强子都是由质子、中子和中子和超子以及它们的反粒子组成。这些粒子称为基础粒子。超子以及它们的反粒子组成。这些粒子称为基础粒子。2.八重法八重法 1961年，美国物理学家盖尔曼年，美国物理学家盖尔曼(M.Gell-Mann)和尼曼和尼曼(Y.Neeman) 提出用提出用SU(3)对称性对强子进行分类的对称性对强子进行分类的 “八重法八重法”。这一方法概括了当时已经发现的大量粒子，并预言了这一方法概括了当时已经发现的大量粒子，并预言了-1-1粒子粒子的存在。这一预言于的存在。这一预言于19641964年被实验证实。年被实验证实。20

71、04-12-843山东师范大学物理与电子科学学院3.3.夸克理论夸克理论 19641964年盖尔曼进一步提出假设，即作为年盖尔曼进一步提出假设，即作为SU(3)SU(3)群的物理基群的物理基础的三重态，不仅仅是某种数学框架，而是三种不同的粒子：础的三重态，不仅仅是某种数学框架，而是三种不同的粒子：上夸克上夸克(u)(u)、下夸克、下夸克(d)(d)、奇异夸克、奇异夸克(s)(s)。并提出强子结构的。并提出强子结构的“夸克夸克”模型：他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子，所有模型：他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子，所有强子都是由三种夸克和它们的反粒子组成。强子都是由三种夸克和它们的反粒子组成

72、。夸克性质：夸克性质：夸克必须是费米子。夸克必须是费米子。因为费米子可以构成费米子，因为费米子可以构成费米子，也可以构成玻色子；而玻色子只能构成玻色子，不能构成费米也可以构成玻色子；而玻色子只能构成玻色子，不能构成费米子。子。夸克具有分数电荷。夸克具有分数电荷。上夸克的电荷为上夸克的电荷为2e/32e/3，下夸克的电，下夸克的电荷为荷为-e/3-e/3，奇异夸克的电荷也为，奇异夸克的电荷也为-e/3-e/3。夸克带有色荷夸克带有色荷：红色：红色(R)(R)、黄色、黄色(Y)(Y)、绿色、绿色(G)(G)。这些色荷决定夸克参与强相互作用。这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度。的强弱程度。标准

73、模型：标准模型：中子中子由由2 2个下夸克和个下夸克和1 1个上夸克构成，写作个上夸克构成，写作( (uddudd) )；质子质子则由则由2 2上夸克和上夸克和1 1下夸克构成，记为下夸克构成，记为( (uuduud) )。在强子内部，。在强子内部，夸克通过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷，彼此有相互作夸克通过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷，彼此有相互作用，可以形成胶子用，可以形成胶子- -胶子束缚态（即胶球）。胶子束缚态（即胶球）。2004-12-844山东师范大学物理与电子科学学院粒粒 子子 物物 理理 学学 的的 发发 展展盖尔曼像盖尔曼像 由于夸克模型能够由于夸克模型能够成功的解释许

74、多已知事成功的解释许多已知事实，把极为复杂的事情实，把极为复杂的事情变得非常简单，而且在变得非常简单，而且在说明强子分类和质量谱说明强子分类和质量谱等方面非常成功，所以等方面非常成功，所以这一模型为大多数人所这一模型为大多数人所接受。接受。 19691969年，盖尔曼年，盖尔曼获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。2004-12-845山东师范大学物理与电子科学学院 J/粒子是自旋为粒子是自旋为1 1的玻色子，质量很大，比质子质量还的玻色子，质量很大，比质子质量还大大3 3倍多。它的电荷是倍多。它的电荷是2e/32e/3；但寿命却出奇的长，达到；但寿命却出奇的长，达到1010-20-20秒，

75、秒，是类似能量的典型强子的是类似能量的典型强子的10001000多倍。多倍。 为了说明为了说明J/粒子的性质，人们提出了一种新的夸克粒子的性质，人们提出了一种新的夸克-桀桀夸克（夸克（c c夸克）。夸克）。 J/粒子是由一个桀夸克和一个反桀夸克组粒子是由一个桀夸克和一个反桀夸克组成的束缚态。成的束缚态。4.桀夸克的发现桀夸克的发现 1974年年8月，月，丁肇中丁肇中领导的研究小组，领导的研究小组，在布鲁克海文实验室的质子加速器（能在布鲁克海文实验室的质子加速器（能量为量为3.31010eV）上发现了一个新粒子，）上发现了一个新粒子，将其命名为将其命名为“J”，并于，并于11月份宣布。月份宣布。

76、同时在美国西海岸的斯坦福大学直线加同时在美国西海岸的斯坦福大学直线加速器中心的速器中心的里克特里克特小组也发现了类似的小组也发现了类似的粒子，并将其命名为粒子，并将其命名为“”。因此，这。因此，这个粒子就命名为个粒子就命名为“J/”。不久在意大利。不久在意大利和德国的加速器上也相继观察到这个粒和德国的加速器上也相继观察到这个粒子。为此，丁肇中和里克特容获子。为此，丁肇中和里克特容获19761976年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。里克特里克特2004-12-846山东师范大学物理与电子科学学院5. 底夸克底夸克(b)和顶夸克和顶夸克(t) 根据基本粒子的发现历史，可将夸克分为三代，第一代根据

77、基本粒子的发现历史，可将夸克分为三代，第一代夸克为上夸克和下夸克夸克为上夸克和下夸克(u、d)；第二代为奇异夸克和桀夸克；第二代为奇异夸克和桀夸克(s、c)。 从从20世纪世纪70年代，人们开始寻找第三代夸克年代，人们开始寻找第三代夸克-底夸克底夸克(b)和顶夸克和顶夸克(t)。1984年，欧洲核子中心（年，欧洲核子中心（CERN）发现了顶夸克）发现了顶夸克的痕迹。但真正找到它们却非常困难。的痕迹。但真正找到它们却非常困难。1992年年5月，费米实验月，费米实验室利用室利用Tevatron对撞机对撞机(加速器长加速器长6.4公里公里)寻找顶夸克，参加实寻找顶夸克，参加实验的是两个国际性合作组：

78、验的是两个国际性合作组：CDF和和D0，共，共800多人。多人。1994年终年终于观察到顶夸克的实验证据，并测定了其质量。但它比同一代于观察到顶夸克的实验证据，并测定了其质量。但它比同一代的底夸克重的底夸克重30多倍，是质子质量的多倍，是质子质量的180多倍，是最轻的上夸克多倍，是最轻的上夸克的的30000多倍，大大出乎人们的预料。多倍，大大出乎人们的预料。 在标准模型中，质量认作为一个基本常数，它是根据实验在标准模型中，质量认作为一个基本常数，它是根据实验数据，人为的加到理论中去的。数据，人为的加到理论中去的。但为什么夸克有三代的划分？但为什么夸克有三代的划分？三代间的质量为什么相差悬殊？有

79、没有第四代？是什么因素决三代间的质量为什么相差悬殊？有没有第四代？是什么因素决定了它们的质量的大小等等问题都在等待答案。定了它们的质量的大小等等问题都在等待答案。2004-12-847山东师范大学物理与电子科学学院6.夸克囚禁夸克囚禁 在目前的认识水平上，夸克是最小的物质粒子，在构成在目前的认识水平上，夸克是最小的物质粒子，在构成强子时，夸克之间的作用还要借助胶子，就象传递电磁作用的强子时，夸克之间的作用还要借助胶子，就象传递电磁作用的媒介粒子媒介粒子-光子一样。由于夸克所带色荷有三种，所以胶子光子一样。由于夸克所带色荷有三种，所以胶子有有8种。一般地，介子由一个夸克和一个反夸克构成，重子由种

80、。一般地，介子由一个夸克和一个反夸克构成，重子由三个夸克构成。这些正反夸克之间的相互作用是通过交换胶子三个夸克构成。这些正反夸克之间的相互作用是通过交换胶子来完成的。约束核子在原子核内的力是核力，约束夸克在重子来完成的。约束核子在原子核内的力是核力，约束夸克在重子和介子内的力是和介子内的力是“色力色力”。不同的是核力对核子的约束是有限。不同的是核力对核子的约束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脱离原子核并不是非的，在外界作用下，如放射性元素，核子脱离原子核并不是非常困难。但是色力却使夸克不可跨越，从实验情况看，人们从常困难。但是色力却使夸克不可跨越，从实验情况看，人们从未发现单个、自由

81、的夸克，只有未发现单个、自由的夸克，只有2个或个或3个夸克的集合体才能处个夸克的集合体才能处于自由状态，通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。于自由状态，通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的。这种现夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的。这种现象称作象称作“夸克囚禁夸克囚禁”。 但与此同时，粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克但与此同时，粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克粒子间，好像并没有相互作用力。这是当时科学研究无法完全粒子间，好像并没有相互作用力。这是当时科学研究无法完全解释的问题。只有了解夸克之间的相互作用力的性

82、质，才有可解释的问题。只有了解夸克之间的相互作用力的性质，才有可能得到单个的自由夸克，从而解决这个难题。能得到单个的自由夸克，从而解决这个难题。2004-12-848山东师范大学物理与电子科学学院“弦弦”模型：模型：关于关于“夸克囚禁夸克囚禁”，意大利和美国物理学家曾提，意大利和美国物理学家曾提出出“弦弦”模型来解释。模型来解释。1968年，意大利的年，意大利的维尼基亚诺维尼基亚诺(Vineziano)找到了一个与量子场论无关的函数，它能很好的找到了一个与量子场论无关的函数，它能很好的描述强子的许多特征。但如果用这个函数描述粒子的性质，粒描述强子的许多特征。但如果用这个函数描述粒子的性质，粒子

83、将等效成一根一维弦。这意味着粒子的点状结构将被一根子将等效成一根一维弦。这意味着粒子的点状结构将被一根“弦弦”来代替。最初引用来代替。最初引用“弦弦”概念的是美国加州理工学院的概念的是美国加州理工学院的许许瓦兹瓦兹(J.G.Schwarz)和和舍科舍科(Sherk)。由于旧弦理论存在很多问。由于旧弦理论存在很多问题，从题，从1979年起，许瓦兹又和格林年起，许瓦兹又和格林(M.B.Green)合作合作(舍科已去舍科已去世世)，共同致力于弦理论的改造。在这个模型中，介子中的正，共同致力于弦理论的改造。在这个模型中，介子中的正反夸克就象系于一根反夸克就象系于一根“弦弦”的两端。重子中的三个夸克则由

84、三的两端。重子中的三个夸克则由三个个“弦弦”连系着。这样，夸克间的距离越远，弦连系着。这样，夸克间的距离越远，弦的张力就越大，的张力就越大，即色力随着距离的增大而增大，因此夸克不可能挣脱即色力随着距离的增大而增大，因此夸克不可能挣脱“弦弦”的的作用而变为作用而变为“自由夸克自由夸克”。夸克只能在。夸克只能在“弦弦”的控制下，在距的控制下，在距离较近时，获得离较近时，获得“渐进自由渐进自由”。 弦有开弦和闭弦两种，弦的线度为普朗克长度。单弦的每弦有开弦和闭弦两种，弦的线度为普朗克长度。单弦的每一振动模式，都对应一种粒子，粒子间的基本相互作用就是弦一振动模式，都对应一种粒子，粒子间的基本相互作用就

85、是弦的分裂和接合。当两段单弦相碰时，它能通过端点的接合形成的分裂和接合。当两段单弦相碰时，它能通过端点的接合形成第三根弦，第三根弦又形成最终的两根弦。第三根弦，第三根弦又形成最终的两根弦。2004-12-849山东师范大学物理与电子科学学院 “渐近自由渐近自由”理论理论：1973年，正在普林斯顿大学攻读博士学位年，正在普林斯顿大学攻读博士学位的的维尔切克维尔切克和其导师和其导师格罗斯格罗斯共同发表了一篇论文，提出强作用共同发表了一篇论文，提出强作用理论中的理论中的“渐近自由渐近自由”现象。同年现象。同年，正在哈佛大学攻读博士学正在哈佛大学攻读博士学位的位的波利策波利策也也独立发表的一篇论文独立

86、发表的一篇论文，提出了同样的理论。提出了同样的理论。 “渐近自由渐近自由”理论，用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论，用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根据据“渐近自由渐近自由”理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，这就意味着约束

87、在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，这就意味着约束在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，将近乎自由地进行运动。将近乎自由地进行运动。 这个发现导致了这个发现导致了“量子色动力学量子色动力学”(QCD)的诞生的诞生，这是一，这是一个关于强相互作用的理论个关于强相互作用的理论。2004-12-850山东师范大学物理与电子科学学院 这三这三位美国科学家戴维位美国科学家戴维格罗斯、戴维格罗斯、戴维波利策和波利策和弗兰克弗兰克维尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐维尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象，荣获近自由现象，荣获2004年度诺贝尔物理学奖。诺贝尔年度诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖

88、评选委员会称颂这奖评选委员会称颂这3位粒子物理学家的发现为：位粒子物理学家的发现为：“夸克世界中的一个灿烂发现夸克世界中的一个灿烂发现”。2004-12-851山东师范大学物理与电子科学学院7.质疑质疑 自从自从 60年代科学家们提出夸克这一设想后，全世界的物年代科学家们提出夸克这一设想后，全世界的物理学家花费了巨大的财力、物力和人力，设计出了多种夸克模理学家花费了巨大的财力、物力和人力，设计出了多种夸克模型，建造高能电子对撞机。虽然一些实验现象型，建造高能电子对撞机。虽然一些实验现象“证实证实”夸克夸克（或层子）的存在，然而单个的夸克（或层子）至今未（或层子）的存在，然而单个的夸克（或层子）

89、至今未 找到。找到。对此，粒子学家们的解释是：因为夸克（层子）是极不稳定的、对此，粒子学家们的解释是：因为夸克（层子）是极不稳定的、”寿命极短的粒子，它只能在束缚态内稳定存在，而不能单个寿命极短的粒子，它只能在束缚态内稳定存在，而不能单个存在。存在。 1996年年2月月26日，日，光明日报光明日报发表了天津大学崔君达教发表了天津大学崔君达教授的文章授的文章夸克存在吗夸克存在吗，向，向“夸克说夸克说”提出了质疑。崔说，提出了质疑。崔说，早在早在1979年年3月，他在全国第一次数学物理讨论会上，对月，他在全国第一次数学物理讨论会上，对SU3（夸克模型）中的（夸克模型）中的“3”，提出了一个全新的理

90、论，即复，提出了一个全新的理论，即复合时合时空空论。按照这个理论，夸克模型中的夸克，层子模型中的论。按照这个理论，夸克模型中的夸克，层子模型中的层子，以及层子，以及Higgs粒子都是不存在的！粒子都是不存在的！“人们不论上天入地去人们不论上天入地去寻找，夸克总是杳无踪影寻找，夸克总是杳无踪影”。2004-12-852山东师范大学物理与电子科学学院 崔还特别提到：崔还特别提到：1994年，首先提出夸克模型之一的年，首先提出夸克模型之一的M盖盖尔曼写了一本尔曼写了一本夸克与美洲豹夸克与美洲豹的书。他在书中说，他提出的的书。他在书中说，他提出的SU3中的中的U3实际上是一个数学符号，并不代表实际上是

91、一个数学符号，并不代表“实在的实在的”夸克夸克这东西，物理学家们把它误解了。他最后宣称：这东西，物理学家们把它误解了。他最后宣称：“我不相信夸我不相信夸克是有的。克是有的。” 李政道教授李政道教授在在1996年年10月月3日的一个讲演中指出：日的一个讲演中指出：“另一个谜是，所有强作用的粒子都是由夸克组成的，但是我们另一个谜是，所有强作用的粒子都是由夸克组成的，但是我们却不能把单个的夸克分离出来。却不能把单个的夸克分离出来。” 早在早在1993年李政道在清华年李政道在清华大学讲演时大学讲演时也也提出提出了了这一问题。这一问题。美国基础科学研究所所长美国基础科学研究所所长RMSantilli为崔的文章写为崔的文章写的的评评论中说：论中说：“夸克是物理实在的粒子的信条是一个真正的科夸克是物理实在的粒子的信条是一个真正的科学欺骗，特别是由所谓学欺骗，特别是由所谓专家专家说出来的时候。实际上夸克只说出来的时候。实际上夸克只能在能在SU（3）对称的纯数学的）对称的纯数学的U空间中定义，而不能在实在的空间中定义，而不能在实在的时空中定义。时空中定义。” 夸克夸克或或层子是否存在层子是否存在？2004-12-853山东师范大学物理与电子科学学院