第十章-原子核及粒子物理学的发展.ppt

1 原子核物理学的兴起 前言原子核物理学是研究核的性质 结构和变化规律 以及核能 核技术应用等有关物理问题的学科 简称核物理 属于当代物理学的前沿 粒子物理 高能物理 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学科 是当代物理学发展的前沿 原子核物理学及粒子物理的工作1 实验研究 主要是通过高能粒子的相互碰撞 用实验手段发现新粒子 到目前已经发现了300多种 采用的试验设备有加速器 对撞机 探测器 计算机和数据处理系统 2 理论基础是量子场论 是解释微观现象的基本理论 2 一人工核反应的实现及质子的发现1914年卢瑟福的学生马斯登在观察 粒子在空气中的射程时注意到 粒子在空气中的射程一般只有7厘米 但有的粒子的射程竟达40厘米 经反复验证和思考 卢瑟福认为 这是空气中的氢离子受到 粒子的撞击所致 因为 粒子的质量是氢离子质量的4倍 因此氢离子被撞击后速度要大许多 在上述现象启发下 从1917年开始 卢瑟福进行了 粒子轰击氮原子核的实验 装置如右图 A为 射线源 可前后移动 利用显微镜M观察透过窗口F在荧光屏S上的闪烁 当从阀T充入氮气 放射源A距观察屏S的距离超过 粒子的射程很多时 屏上仍有闪烁 射程长度和氢离子的差不多 当充入氧气时却没有这种现象 3 卢瑟福经过反复实验 终于判定是氮原子在 粒子的轰击下发生了核嬗变 从氮核中释放出了氢核 质子 1919年 卢瑟福明确表达了 粒子轰击氮核的反应过程 14N7 4He2 17O8 1H1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 从而确定了该离子就是氢原子核 质子 后来英国卡文迪什实验室的布拉凯特在充满氮的云室里做了 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40多万条 粒子径迹中发现有8条产生了分叉 从而证实 了人工核反应的实现和质子的产生 1921年卢瑟福和查德威克 J Chadwick 发现硼 氟 钠 铝和磷都可以产生类似的转变 由于各种原子核里都能打出质子来 可见质子是原子核的组成部分 4 二中子n的发现1 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 即质子 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 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粒子 1920年6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 1921年美国化学家哈金斯将它命名为 中子 2 中子发现的前奏 1930年德国物理学家博特 W G F Bothe 与贝克尔 H Becher 用天然放射性元素Po放出的 粒子轰击铍Be 发现从铍放射出一种穿透能力极强的射线 且这种射线在磁场和电场中都不会发生偏转 人们认为是高能量的 射线 5 1932年1月 法国物理学家约里奥 居里夫妇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 射线造成的 康普顿效应 错失发现中子的良机 3 查德威克的发现 查德威克当时正在卡文迪什实验室作放射性研究 对于约里奥 居里夫妇的实验 他不赞同他们的解释 他用这种射线先后照射轻重不同的几种元素 发现这种射线与通常的 射线性质有所不同 通常 射线照射到物质上时 物质密度越大 对 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的质量几乎和质子相同 于是查德威克意识到这就是卢瑟福曾经预言的 中子 于是在1932年的 Nature 上发表了 中子可能存在 的论文 6 4 意义1 建立了原子核的正确模型 2 引起了一些新的研究课题 3 由于中子不带电 因此就使人们在核物理的研究中 拥有了一颗威力无比的炮弹 人们利用它打开了核能仓库 昂首迈入原子能时代 查德威克的成功 是他能够将理论预言与实验现象密切结合 抓住机遇的结果 原子核物理学的兴起 查德威克像 7 伊伦娜 居里和约里奥 居里 原子核物理学的兴起 8 三人工放射性的发现1934年1月 约里奥 居里夫妇用 粒子轰击铝 发现撤走放射源后 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性同位素磷 30 即27Al13 4He2 30P15 1n0磷 30经 衰变放出正电子 变成稳定元素硅 30P15 30Si14 0e1他们又用 粒子轰击硼和镁 得到放射性同位素氮和硅 这样约里奥 居里夫妇因人工放射性的发现而获得1935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 后来人们发现 用 粒子轰击轻元素能够得到放射性同位素 但用 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较大 与 粒子的库仑斥力很难让 粒子产生轰击效果 所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10 4 但由于它不必克服库仑势垒 所以与原子核撞击的机会比 粒子或质子大得多 9 四慢中子效应和核裂变的发现1 慢中子效应的发现 1934年10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100倍 再放到水下做实验 证实水也有类似作用 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 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 所以慢中子及其作用的发现为重核裂变的发现打下了基础 因此 人们将慢中子及其效应的发现看作是 核时代的起点 费米简介 美籍意大利物理学家 1901年9月29日出生于意大利罗马 17岁时进入比萨大学 毕业时 他以X射线的专题论文获得博士学位 之后赴德国格丁根大学 拜玻恩为师 1924 10 1934年 用中子轰击了63种元素 得到了37种放射性同位素 在实验中 发现了慢中子及其效应 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1938年诺贝尔物理学奖 由于受法西斯迫害 借领诺贝尔奖之机 携家移居美国 在哥伦比亚大学任教 在获奖之后 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 年回意大利佛罗伦萨大学任教 并因在理论物理学方面的贡献引起世界范围的注意 1926年 任罗马大学理论物理学教授 1927年提出费米 狄拉克统计理论 1933年提出 衰变理论 11 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 而美国的政界 军界却反应迟钝 于是 费米 西拉德等科学家于1939年8月一起找到了爱因斯坦 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10月11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 1941年12月6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 曼哈顿计划 1942年12月2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 1954年11月28日费米因胃癌逝世于美国的芝加哥 年仅53岁 为纪念他 第100号元素以他的名字命名为镄 12 2 核裂变的发现 1934年 当费米小组用中子轰击铀23892U时 得到了半衰期为13分钟的一种放射性产物 经分析它不属于铅 铀之间的重元素 1934年5月费米在 Nature 上发表了一篇短文 原子序数高于92的元素可能生成 报道了可能是一种 超铀 元素93 在随后的4 5年里 人们又陆续 发现 了超铀元素94 95 96和97号 超铀 新元素 其实 这就是最早出现的重核裂变现象 在 超铀 元素的的研究中 德国和法国的科学家按照已知核反应规律 认为 当中子轰击原子核时 原子序数将增1 产生一新元素 但德国女化学家诺达克夫人 T Noddack 却提出不同看法 她认为 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邻 但这一观点没有引起费米等人的注意 甚至当时的放射性权威哈恩认为诺达克夫人的观点 纯粹是谬论 13 1938年 伊伦 居里和南斯拉夫的沙维奇 P Savitch 进行了有关 超铀 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3 5小时的放射性元素 其性质接近镧 镧原子序数为57 后证实是镧 141 于同年5月将实验结果发表在 科学院通讯 上 由于产生的放射性元素同铀和 超铀 元素的差别太大 又没有意识到重核的分裂 于是放弃了实验 当时德国化学家哈恩及犹太血统的奥地利女化学家迈特纳 L Meitner 也正在从事放射性研究 看到伊伦 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 结果证实了伊伦 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 1939年1月 德国 自然科学 杂志上发表了哈恩和斯特拉斯曼的实验结果 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迈特纳 迈特纳和她的侄子弗里胥 O Frisch 1934年流亡国外 在玻尔理论物理研究所工作 对哈恩的结果进行了讨论 弗里胥在玻尔 液滴核模型 的启发下 想到 如果核被中子击中 14 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玻尔 玻尔听了十分高兴 惊呼 正应该如此 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 重核裂变的现象终于真相大白 裂变 fission 一词也由此产生 3 链式反应 重核裂变一经证实 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 约里奥和他的同事们首先提出了 中子过剩 问题 轻核中子和质子数近于相等 中等核中子数略多 重核中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 连锁反应即可发生 费米小组证明铀核每次裂变平均可产生2个中子 他们选择铀235核石墨做实验 并在军方的支持下开始了曼哈顿工程 15 第一座原子反应堆1941年12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 但有两个问题需要解决 一是把中子减速为慢中子 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 普通水对中子减速太快 且有很强的吸收 最后选择石墨作为中子减速剂 二是严格控制核裂变的反应速度 最后选择了镉来吸收中子 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 铀层和石墨层间隔的布置在方阵中 1942年12月1日反应堆砌好 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0 5瓦 人类第一次实现了原子能的可控释放 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 意大利航海家登上了新大陆 从此开始了原子能利用的新纪元 16 原子核物理学的兴起 原子弹原子弹利用的是没有催化剂且不加以控制的原子核裂变链式反应 美国动用了大量人力 物力 集结了世界大量的科学人才 1945年7月16日 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 放置原子弹的钢塔顿时化成了气体 被炸后的广岛 杜鲁门政府决定用原子弹征服死不投降的日本 1945年8月6日第一枚原子弹投在广岛 8月9日又在长崎投了第二颗 广岛死78 150人 长崎死23 700人 17 原子核物理学的兴起 氢弹 前苏联于1949年2月22日 爆炸了第一颗原子弹 英国于1952年10月3日 法国于1960年2月13日 中国于1964年10月16日 分别爆炸了第一颗原子弹 氢弹继原子弹后 又制造了威慑能力更大的氢弹 我国政府提出了不首先使用核武器倡议 并在1996年宣布停止核试验 全世界现已拥有核弹头5万多个 相当于广岛原子弹的100万倍 18 4 核能的应用1 原子能发电站1954年6月27日 前苏联在莫斯科附近首先建成 现已有40多个国家拥有400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30 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 日 德 俄等国广泛采用 2 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 害死家畜 繁殖极快 美国以毒攻毒 将螺旋虫用核辐射处理 使之无生育能力 但能交配 18个月内 每星期播放5千万只这样的虫子 整个地区螺旋虫被消灭 原子核物理学的兴起 19 原子核物理学的兴起 5 核物理的发展一方面表现为向凝聚态物理 天体物理和核技术应用发展 另一方面为核物理自身的发展 对核的研究 已从低激发态到研究高激发态和高自旋态 核物理学的发展和应用仍旧有着广阔的前景 20 21 五正电子的发现安德逊 C D Anderson 美国加州理工学院密立根教授的学生 1930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 粒子穿过金属板 就可区别其能量 1932年8月2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 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论 也不知道狄拉克预言过正电子的存在 1928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 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 另两个解应对应于电子负能态的 空穴 即反电子 22 六中微子的发现1 中微子概念的提出 中微子概念的提出 与原子核的 衰变有直接联系 1914年查德威克证明 射线和 射线德能谱是分立的 在衰变中发射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末态的能量差相等 然而 射线的能谱是连续的 也就是说 衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布 有些电子的能量竟会小于初态与终态的能量差 那部分能量哪去了 1930年泡利提出 只有假定在 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 一起被发射出来 使中子和电子的能量之和为常数 才能解释连续 谱 这里泡利指的中子即是中微子 费米接受了泡利的假说 并于1934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 衰变的本质是核内一个中子变为一个质子 23 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 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的相互作用 弱相互作用 衰变就是约里奥 居里夫妇发现的发射正电子的人工放射性 同年 维克 G C Wick 指出 在费米理论的相互作用里 允许原子核里发生如下过程 P n e e 他还预言可能会有轨道电子的俘获过程 这个过程于1938年被阿尔瓦雷兹 L W Alvarez 观察到 2 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 1941年 我国物理学家王金昌首先提出了一个间接探测中微子的方法 24 他指出 当一个 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 射线被放射出来 这种反冲效应对所有的原子都是相同的 1942年 美国物理学家艾伦 J S Allen 按上述方案进行了测量 取得了肯定的结果 但未完全成功 1952年又重新进行了实验 测出了原子的反冲能 带维斯 R Davis 也成功地重复了艾伦1942年的实验 这样 通过间接的实验证实了中微子的存在 3 中微子的直接检测 在核反应中 中微子的发射数量级极大 通过对核裂变产物的探测 有可能确证中微子的存在 1956年 洛斯 阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩 C Cowan 核莱因斯 F Reines 首先在核反应堆中检测到 25 他们设计了一个规模巨大的实验方案 他们研究下面反应过程 通过探测出反应产物 正电子e 和中子n 并测出确切的反中微子与质子p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1956年宣布实验结果与理论预期相符 4 中微子的研究进展 1962年 美国的施瓦茨 M Schwartz 等人通过加速器进行实验 又证实了两种不同的中微子 e 70年代中期 美国的佩尔 M L Perl 小组在APEAR的正负电子对撞机中又发现了另外两种中微子 和反 至此 中微子就有了六个且只有六个 5 中微子的质量 对中微子的质量是否为零 一直存在质疑 原因有两个方面 若中微子的质量不为零 存在中微子振荡 则太阳中微子失踪之谜就揭开了 有关暗物质问题 天体当中有些物质看不见 但存在 称为暗物质 暗物质是什么 26 可能是黑洞 死星 宇宙尘埃或某种气体等 已经知道暗物质不是由重子组成 若中微子质量不为零 则可能中微子是其组成之一 到目前为止 中微子质量的测量仍在继续中 但实验检测只能减小中微子质量的上限 如目前已经测量到 27 七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10 13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 1 汤川的预言 1935年 日本物理学家汤川秀树 H Yukawa 提出介子理论 用于解释强相互作用 他认为 核子之间是通过交换一种可称为介子 meson 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 1949年获得诺贝尔物理学奖 2 介子的发现 1937年安德森核尼德迈耶 S H Neddemeyer 在宇宙射线的研究中发现了质量约为电子的207倍的新粒子 称为 介子 但由于 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 1947年 英国物理学家鲍威尔 C F Powell 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273倍 称为 介子 介子才是汤川预言的介子 28 八奇异粒子的研究1 发现 1947年 在宇宙射线的研究中 罗切斯特 G D Roechester 和巴特勒 C C Butler 首先在曼彻斯特大学用云室观察到了奇异的 V 型事件 如右图示 虚线表示电中性粒子V0 实线为带电粒子 根据他们在磁场中的偏转曲率和电离密度 可知V0的产物是p和 1954年 在美国布鲁克海汶实验室 3GeV同步质子加速器投入使用 开始实现了人工产生 V 型粒子 这些粒子的性质才得以研究 由于这些粒子有自己奇特的性质 所以称为奇异粒子 比核子重的奇异粒子又称超子 如 0 0 等 表示为V01 比核子轻又比 介子重的介子则用V02表示 如K K0 K 等 29 2 奇异粒子的两个特性 协同产生 非协同衰变 即在碰撞过程中 它们总是同时产生 可是衰变时却独立的进行 最终成为普通粒子 快产生 慢衰变 强产生 弱衰变 奇异粒子的产生过程是强相互作用过程 截面很大 碰撞的时间量级为10 24S 而衰变是弱相互作用过程 或电磁相互作用过程 所以奇异粒子的平均寿命都较长 是稳定粒子 1953年 盖尔曼 M Gell Mann 和西岛 NiShijima 用一新的量子数 奇异数来表示这一特性 并假定在强相互作用中奇异数守恒 而在弱相互作用中奇异数可以不守恒 从而解释了奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实 3 疑难 当时对最轻的奇异粒子 现在称为K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子 介子和 介子 衰变时 衰变为两个 介子 它们的宇称为正 衰变为3个 介子 它们的宇称则为负 也就是说 粒子与 粒子衰变时 表现出具有完全相反的宇称 鉴于质量 寿命和电荷都相同 这两种粒子应为同一种 但从其衰变行为看 如果宇称守恒 则 和 就不可能是同一种粒子 30 1956年的夏天 杨振宁与李政道一起 查阅了当时已有的关于 宇称守恒 这个概念的实验基础以后 指出 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 没有根据说它一定守恒 如果 宇称守恒 在弱相互作用中并不成立 那么 宇称 的概念就不能应用在 粒子和 粒子的衰变机制中 这样 粒子与 粒子就可以是同一种粒子 疑难即可迎刃而解 与此同时 他们还建议可以用 衰变等实验来检验他们的推测 几个月后 哥伦比亚大学美籍华裔吴健雄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60的衰变实验证实了在这种 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 杨振宁与李政道因此共同获得1957年诺贝尔物理奖 同年获得爱因斯坦科学奖 31 粒子物理学的发展 杨振宁 李政道 32 李政道和杨振宁 杨振宁 李政道大胆提出粒子在弱相互作用中 宇称不一定守恒 粒子和 粒子可能是同一种粒子 粒子物理学的发展 33 吴健雄的实验验证吴健雄做了极化钴60原子核 衰变实验 将钴60置于0 01K的低温环境中的磁场内 实验说明了 衰变规律宇称不守恒 使杨 李的观点得到了验证 打破了人们的传统观念 吴健雄 粒子物理学的发展 34 九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 早期按粒子的质量分类 光子 0 轻子 轻 介子 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 10 18s 和不稳定粒子 平均寿命在10 20 10 24S 分为粒子和反粒子 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 25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 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 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 35 1955年赛格雷 张伯伦在高能加速器上获得了反质子 1956年发现反中子 1959年 我国科学家王淦昌发现了反西格马负超子 人们又开始想到能否用反质子 反中子 正电子 组成一个反原子 1995年开始 欧洲粒子研究中心的科学家 在 LEAR 低能反质子环中 产生了9个反氢原子 虽然它们存在的时间仅为三亿分之四秒 但是 却将人们对物质的认知领域大大扩展了 粒子物理学的发展 赛格雷像 36 张伯伦像 粒子物理学的发展 37 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分 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 因此粒子物理学中不考虑它 轻子 主要参与弱作用 带电的轻子也参与电磁作用 自旋都是1 2 所以是费米子 轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭 电子等6种是轻子 加上它们的反粒子 轻子共12种 强子 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子两类 自旋为整数或零的称为介子 如 K 等 自旋为半整数的称为重子 如p n 等 规范玻色子 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W Z0 传递强作用的胶子 胶子至今未发现 规范玻色子都是玻色子 38 十强子结构和夸克理论1 坂田模型最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁 1949年他们提出 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 这一模型的提出需要一定的知识积累和胆识 1955年 坂田昌一提出 坂田模型 强子都是由质子 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 2 八重法1961年 美国物理学家盖尔曼 M Gell Mann 和尼曼 Y Neeman 提出用SU 3 对称性对强子进行分类的 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 1粒子的存在 这一预言于1964年被实验证实 39 3 夸克理论1964年盖尔曼进一步提出假设 即作为SU 3 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 上夸克 u 下夸克 d 奇异夸克 s 并提出强子结构的 夸克 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 夸克性质 夸克必须是费米子 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 不能构成费米子 夸克具有分数电荷 上夸克的电荷为2e 3 下夸克的电荷为 e 3 奇异夸克的电荷也为 e 3 夸克带有色荷 红色 R 黄色 Y 绿色 G 这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度 标准模型 中子由2个下夸克和1个上夸克构成 写作 udd 质子则由2上夸克和1下夸克构成 记为 uud 在强子内部 夸克通过胶子传递强相互作用 胶子带有色荷 彼此有相互作用 可以形成胶子 胶子束缚态 即胶球 40 粒子物理学的发展 盖尔曼像 由于夸克模型能够成功的解释许多已知事实 把极为复杂的事情变得非常简单 而且在说明强子分类和质量谱等方面非常成功 所以这一模型为大多数人所接受 1969年 盖尔曼获得诺贝尔物理学奖 41 J 粒子是自旋为1的玻色子 质量很大 比质子质量还大3倍多 它的电荷是2e 3 但寿命却出奇的长 达到10 20秒 是类似能量的典型强子的1000多倍 为了说明J 粒子的性质 人们提出了一种新的夸克 桀夸克 c夸克 J 粒子是由一个桀夸克和一个反桀夸克组成的束缚态 4 桀夸克的发现1974年8月 丁肇中领导的研究小组 在布鲁克海文实验室的质子加速器 能量为3 3 1010eV 上发现了一个新粒子 将其命名为 J 并于11月份宣布 同时在美国西海岸的斯坦福大学直线加速器中心的里克特小组也发现了类似的粒子 并将其命名为 因此 这个粒子就命名为 J 不久在意大利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1976年诺贝尔物理学奖 里克特 42 5 底夸克 b 和顶夸克 t 根据基本粒子的发现历史 可将夸克分为三代 第一代夸克为上夸克和下夸克 u d 第二代为奇异夸克和桀夸克 s c 从20世纪70年代 人们开始寻找第三代夸克 底夸克 b 和顶夸克 t 1984年 欧洲核子中心 CERN 发现了顶夸克的痕迹 但真正找到它们却非常困难 1992年5月 费米实验室利用Tevatron对撞机 加速器长6 4公里 寻找顶夸克 参加实验的是两个国际性合作组 CDF和D0 共800多人 1994年终于观察到顶夸克的实验证据 并测定了其质量 但它比同一代的底夸克重30多倍 是质子质量的180多倍 是最轻的上夸克的30000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 它是根据实验数据 人为的加到理论中去的 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 43 6 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 光子一样 由于夸克所带色荷有三种 所以胶子有8种 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 色力 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 自由的夸克 只有2个或3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 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 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质 才有可能得到单个的自由夸克 从而解决这个难题 44 弦 模型 关于 夸克囚禁 意大利和美国物理学家曾提出 弦 模型来解释 1968年 意大利的维尼基亚诺 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 来代替 最初引用 弦 概念的是美国加州理工学院的许瓦兹 J G Schwarz 和舍科 Sherk 由于旧弦理论存在很多问题 从1979年起 许瓦兹又和格