基本粒子的发展(论文).doc

研究生学位课程论文论 文 题 目： 基本粒子的发展 基本粒子的发展摘 要： 本文通过对电子、光子、质子、中子、正电子、中微子的发现和强子夸克模型的介绍，阐述了粒子物理的一些基本知识。关键词： 基本粒子、电子、中微子、夸克引言：不久前刚选完导师，我的导师是高策教授。第一次见面，高老师询问了我的专业背景和兴趣后，给了我一些指导，希望我了解一下弦论和场论方面的相关理论。于是，自己接触到了一些以前没有关注过的知识（粒子物理学）。刚好正值期末，自然辩证法要交期末论文，题目自拟，所以想总结一下基本粒子的发展。这样既可以完成学科作业，又能把近来看过的东西做一个简单总结，同时自己还抱着写一篇通俗的粒子物理方面的科普文章，希望能有一箭三雕之功效，但愿自己已经做到了。揭露万物之本和世界之源是人类一直向往的研究目标。早在公元前4世纪，古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)和留基伯(Leucippus)就提出物质由不可分的微小的基本粒子组成，及原子论。两千多年来，人类对世界本原的探索研究表明，物质世界的确有其深层次的构造，但又远非两位先哲所想的那样简单。“基本粒子”按其原意是构成世界万物的不能再分割的最小单元。这其实只是一种历史概念，随着人类认识的不断深化，这种概念本身也在不断演变。最初，留基伯和德谟克利特提出的原子就是指构成世界万物的终极单元。但时至今日，已经没有人认为原子不能再分割了。“最小单元”这个概念一次又一次地被迫转移到下一层次，于是“基本粒子”一词也就应运而生了。当然本文所用“基本粒子”一词并非说它永远不能再分割，而是说直到当时还未进一步被分割的物质单元，尽管已有种种迹象表明它仍然有其更深的结构。为了叙述方便，本文有时把“基本粒子”简称为“粒子”。接下来，我就从人类认识粒子的顺序来大致介绍人类对世界认识的不断深入。一、人类认识的第一个基本粒子：电子1897年，汤姆逊发现了电子，这是人类认识的第一个基本粒子，他因此而获得了1906年的诺贝尔物理奖。汤姆逊是在研究阴极射线时发现电子的。著名的汤姆逊实验原理大致如图1：图1 汤姆逊实验所用的真空管示意图图中F为真空管，A为阴极，B为阳极（即A、B间加了一个电场）， B上有一小孔，阴极射线射出后，经电场加速，射向阳极B，通过B上的小孔飞向荧光屏E，在其上大出亮点。试验中，可在C、D间加上电场或者磁场，使电子获得不同的偏转。在这样的场景下，通过一些简单的电学磁学计算，就可以得出了阴极射线里所包含的粒子的电荷量e和质量m分别为：库仑克并且该粒子带电为负，这就是电子了。二、人类认识的第二个基本粒子：光子人类对光的人是经历了漫长的岁月。大约在三百年前，牛顿(Isaac Newton, 16421727),根据光的直线传播特性推断光是由高速运行的微粒组成的，这就是著名的微粒说。随后，惠更斯(ChristiaanHuygens,16291695)又提出了与牛顿的观点对立的波动说，他认为光是一种波动。这两种学说争论了一百多年，直到1801年，英国的托马斯杨（Thomas Young，17731829）观察了光的双缝干涉现象。1818年，法国的菲涅耳（Fresnel,17881827）又进而观察到了光的衍射现象。按照波动说，光线应当会呈现干涉和衍射现象；但是按微粒说，则不会有这些现象。于是，暂时性地宣告了波动说的胜利，微粒说的失败。随着电子的发现，人们发现的光电效应，即：当用紫外线照射金属时，金属表面会飞出一些电子。对飞出的电子的能量进行测量，结果发现增强紫外线的强度不会改变飞出的电子的能量；而增大紫外线的频率却可以明显增大电子的能量。这个现象用波动说是无法解释合理的。1905年，爱因斯坦(Albert Einstein,18791955)提出了光量子概念，认为光是由微粒组成，每个光子的能量为 （1）其中为光的频率，为普朗克常数，焦耳秒他认为光电效应是金属内一个电子吸收一个光子后飞离金属表面的过程。这个观点简洁完满地解释了波动说无法说明的事实：影响飞出的电子的能量的是照射光的频率，而非强度。光电效应清晰地显示了光的粒子性。光子作为一种粒子，它不仅具有能量，而且还具有确定的动量。爱因斯坦根据相对论的要求，证明了光子的动量和波长有如下关系 （2）作为矢量的动量，其方向指向光传播的方向。一个光子与电子相撞，碰撞之后，电子获得能量，飞出金属表面。光作为一种粒子，成为人类认识的第二个基本粒子。爱因斯坦就是因为发现光电效应定律而获得1921年度的诺贝尔物理奖。光子概念的提出，并不意味着牛顿微粒说的简单复活，也不意味着惠更斯波动说的彻底失败。由（1）和（2）两式可以看出，光子实际上是粒子和波动两种概念相结合的产物，即代表粒子特性的能量和动量却由代表波动性的频率和波长决定。也就是说光子既有波动性也有粒子性，既具有波粒二象性。三、人类认识的第三、第四个基本粒子：质子和中子为了弄清楚原子的具体结构，1911年，英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford, 18711937)等人用射线粒子散射实验发现了原子核（但是原子核并不是基本微粒），并确立了比较合理的原子模型：原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，原子的极大部分质量聚集都集中在体积极小的原子核上，原子核带有和电子等量的正电荷，原子的大部分体积是空的，质量极小的电子绕原子核运行。1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，使它变成了氧原子核，同时放出了一个氢原子核来，即发生了核反应： （3）早在1816年，英国物理学家普劳特(William Prout,17851850)注意到了很多元素的原子量是氢原子量的整数倍，据此，普劳特提出了一个假说，认为所有的元素都是由氢原子组成的，氢是所有元素的“根本元素”。精确测量告诉我们：氢核质量是电子的1836.1526675倍；带有+1元电荷（约C），量值与电子电荷绝对值相同；是稳定粒子，平均寿命大于1032年。这样的话，只要原子核包含有与核外电子数相等的氢核，整个原子就会呈电中性。因此，一般原子核并不是基本粒子，只有氢核（质子）才是基本粒子，它就是人类认识的第三个基本粒子。但奇怪的是，绝大多数原子的质量数A并不等于质子数Z，前者往往是后者的两倍还要多。一种自然的想法就是，原子核内除了质子以外还应该有另外一种粒子，其质量与质子相等，并且呈电中性，卢瑟福把这种粒子叫做中子，不过他只是简单的认为这种中性粒子是质子与电子的结合体。1930年，波特和贝克尔用粒子轰击铍原子核，发现产生了一种穿透能力十分惊人的射线。但是人们只认识三种射线，即、，其中射线的穿透能力最强,于是人们误认为这种 “铍射线”是射线。两年后，约里奥居里夫妇有用这种“铍射线”来轰击石蜡，如图2图2 中子发现实验原理图结果发现，这种射线从石蜡里打出了不少质子。这种行为完全不像射线，因为射线只是一种电磁波，其能量根本不足以将质子打出来。在卡文迪许实验室工作的查德威克（JamesChadwick，18911974）得知该消息后，立刻想到这种铍射线可能就是卢瑟福所说的中子。因为中子的质量与质子相近，一个高速运动的中子撞击质子，完全可能把质子撞出原子核；中子又不带电，因此可以具有很强的穿透能力。于是查德威克投入了紧张的研究，设法测出了中子的质量，结果表明其质量与质子十分相近。实验还表明，中子和质子、电子一样，自旋也是。由量子力学理论可知，两个自旋的粒子的自旋耦合结果为0或1，所以自旋的中子不可能是质子与电子的结合体，它只能是另一种基本粒子。到此为止，人类已经认识了四种基本粒子。四、人类认识的第一个反粒子：正电子上世纪初，在相对论力学的原则下曾得出一个结论，一个微观粒子的总能量E可以按下面公式计算： （4）式中 c是真空中的光速， p是运动物体的动量。要计算物体的总能量，显然只要对上式两边开平方就行： （5）这样，总能量有两个解。正的解即通常所指的粒子总能，这容易理解。但带负号的总能量，这好像不太好理解，怎么会有负的能量呢？当提出这个方程负能量解的时候，不少人认为这是荒谬透顶的，不少人曾想尽办法用数学企图摆脱这个方程负的解，千方百计不让它出现。然而这时英国有一个年轻人叫狄拉克（Dirac），当时才27岁，他认为负能量可能是一种真实的粒子以不寻常的状态存在着；他认为微观粒子中，分子、原子、质子、电子都具有波粒二重性，对这些粒子的运动规律描写既然要用量子力学和相对论原理处理，我们就不必为出现暂时不理解而在数学上又是正确的新问题而感到不安。图3 正电子的发现（安德森，1932）1932年，安德森（Carl David Anderson, 19051991）在用云雾室研究宇宙射线时，拍摄到一张照片，如图3所示。云雾室的中部是一块6毫米厚的铅板。粒子穿过铅板时会因为电力碰撞而损失能量，因而粒子在铅板两侧的能量是不同的。此云雾室放在磁场方向指向直面内部的磁场中，从而可以根据粒子轨迹的曲率判断粒子的运动方向和电荷。显然，图中所示是一个带正电粒子的轨迹。但是从轨迹的粗细、长度和曲率来看，它不可能是质子，却应是电子。最终安德森断定它是一个带正电的电子，这正是人类发现的第一个反粒子。这一发现使得安德森获得了1936年度的诺贝尔物理奖。五、中微子的发现：衰变能量失窃案衰变是核反应的一种，其过程为放射性元素衰变为原子序数增加1的，同时放出一个粒子（即电子），表面看起来似乎是一个中子变为一个质子同时放出一个电子，即： （6）微观世界中，无论分子、原子还是原子核，个个状态都有确定的能量。比如：和的基态的能量确定。氚的衰变正是衰变为，同时放出一个电子的过程。和的能量确定，它们之间的能量差自然也是确定的，由能量守恒推想放出的电子的能量应该等于它们之间的能量差。然而实验数据却表明，放出的电子的能量是不确定的，只有少数电子的能量接近和之间的能量差，绝大部分放出的电子的能量都小于它们之间的能量差。这就是说，在衰变的过程中，有一部分能量失窃了。衰变的问题究竟在哪里？1931年泡利设想了一个很自然的办法，他认为衰变的过程中还放出了一个难以探测到的中性粒子，其自旋为，而且质量及其小，称为中微子（记为）。因此，衰变过程应但表示为： （7）这里，下标表示是与电子相伴的中微子，上加一横线表示反粒子。于是不少实验物理学家开始千方百计地寻找这个神秘的中微子。寻找中微子踪迹的第一个成功方案是王淦昌在1942年设计，并由阿伦（J.S.Allen）实验，终于证实了中微子的存在。1952年，劳德拜克（G.W.Rodeback）和阿伦在大大改进实验条件后，证明了中微子正好符合衰变过程中丢失的动量和能量。直到1956年莱茵斯（F.Reines）和柯温（C.L.Cowan）才完成了一个更为直接的实验，对已被放射出来的脱离了源的中微子进行探测。因为中微子的作用极为微弱，所以中微子的发现也极为困难，但是，知道1995年莱茵斯才为此获得诺贝尔奖。六、对基本粒子更深层次的探索上世纪三十年代发现了正电子、介子，进入四十年代又陆续发现了介子和某些奇异粒子，如K0和A0等，进入五十年代，由于高能加速器建造，发现了好几十种基本粒子。最近几年来，差不多每年都有一些新的粒子或某基本粒子的共振态陆续被发现，到目前为止它们的总数已达二百左右。面对着这么多的基本粒子，为了便于研究，我们按参加相互作用的强弱可以将基本粒子分为强子、轻子和传播子三大类。强子就是所有参与强力作用的粒子，现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、介子等都属于强子。轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子，共有六种，包括电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子。电子、子和子是带电的，所有的中微子都不带电；子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，但至今尚未被直接观测到。传递弱作用的W+，W-和Z0。中间玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的8090倍。从现代许多实验中都证实质子的电荷非均匀性。质子不能看作一个几何上的点，在质子的有限大小里，电荷从其几何中心到边缘有一定特定的电荷分布。有的人认为质子的核心是由许多介子组成；也有人认为中子内部靠中心处有一个结合得很紧的正电荷壳层，外面则是十分弥散的负电子云，所以中子作为整体虽是电中性，但内部结构却是很复杂。中子质子以及几乎所有的基本粒子，都可以有各种奇妙的彼此转化关系。这都说明一定有更深一层的结构，有更基本的粒子才能构成这些五花八门的“基本粒子”。目前已经有了一个比较成熟的基本粒子内部模型，即夸克模型。夸克模型认为强子是由夸克构成的，到目前为止已发现夸克至少有六种，即上夸克（u）、下夸克（d）、顶夸克（t）、底夸克（b）、奇夸克（s）、粲夸克（c），每种夸克还有三种颜色。夸克可以带分数电荷，上夸克（u）、粲夸克（c）、顶夸克（t）带有个电荷，下夸克、奇夸克、底夸克带有个电荷。如图4，质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，它的电荷是；中子是由两个下夸克和一个上夸克组成，它的电荷是。 图4 强子的夸克模型1974