原子核物理學(xué)的興起原子核物理學(xué)是探討核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變更規(guī)律、以及核能、核技術(shù)應(yīng)用等有關(guān)物理問題的學(xué)科，簡稱核物理，屬于當代物理學(xué)的前沿。關(guān)于原子核物理學(xué)及粒子物理原子核物理學(xué)及粒子物理的工作試驗探討方法:主要是通過高能粒子的相互碰撞，用試驗手段發(fā)現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)覺了300多種。接受的試驗設(shè)備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。粒子物理(高能物理)是探討場和粒子的性質(zhì)、運動、相互作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，也是探討粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)科，是當代物理學(xué)發(fā)展的前沿。理論基礎(chǔ)是量子場論，是說明微觀現(xiàn)象的基本理論。2004-12-81山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1914年盧瑟福的學(xué)生馬斯登在視察α粒子在空氣中的射程時留意到，α粒子在空氣中的射程一般只有7厘米，但有的粒子的射程竟達40厘米。經(jīng)反復(fù)驗證和思索，盧瑟福認為，這是空氣中的氫離子受到α粒子的撞擊所致。因為α粒子的質(zhì)量是氫離子質(zhì)量的4倍，因此氫離子被撞擊后速度要大很多。當從閥T充入氮氣，放射源A距視察屏S的距離超過α粒子的射程很多時，屏上仍有閃爍，射程長度和氫離子的差不多；當充入氧氣時卻沒有這種現(xiàn)象。一人工核反應(yīng)的實現(xiàn)及質(zhì)子的發(fā)覺在上述現(xiàn)象啟發(fā)下，從1917年起先，盧瑟福進行了α粒子轟擊氮原子核的試驗。裝置如右圖。A為α射線源，可前后移動，利用顯微鏡M視察透過窗口F在熒光屏S上的閃爍。2004-12-82山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院盧瑟福經(jīng)過反復(fù)試驗，最終判定是氮原子在α粒子的轟擊下發(fā)生了核嬗變：從氮核中釋放出了氫核（質(zhì)子）。1921年盧瑟福和查德威克(J.Chadwick)發(fā)覺硼、氟、鈉、鋁和磷都可以產(chǎn)生類似的轉(zhuǎn)變。由于各種原子核里都能打出質(zhì)子來，可見質(zhì)子是原子核的組成部分。后來英國卡文迪什試驗室的布拉凱特在充溢氮的云室里做了α粒子轟擊氮核的試驗，并拍攝了兩萬多張云室的照片，最終從40多萬條α粒子徑跡中發(fā)覺有8條產(chǎn)生了分叉。從而證明白人工核反應(yīng)的實現(xiàn)和質(zhì)子的產(chǎn)生。為了進一步了解被轟擊出的粒子的性質(zhì)，在試驗裝置里加進磁場和電場，依據(jù)粒子在其中的偏轉(zhuǎn)，測出它的質(zhì)量和電荷，從而確定了該離子就是氫原子核-----質(zhì)子。

14N7+4He2→17O8+1H11919年，盧瑟福明確表達了α粒子轟擊氮核的反應(yīng)過程：2004-12-83山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1.盧瑟福的預(yù)言：質(zhì)子發(fā)覺以后，人們認為原子核是由電子和質(zhì)子組成，即質(zhì)子-電子核模型。但是這個模型存在著電子在核內(nèi)的存在狀態(tài)問題，并且與量子力學(xué)中多體統(tǒng)計及自旋理論相沖突。為了說明電子為什么能夠穩(wěn)定的存在于核內(nèi)，盧瑟福提出，可以把質(zhì)子和電子作為一個復(fù)合體，看成是一個單獨的中性粒子。二中子n的發(fā)覺1920年6月，盧瑟福預(yù)言：原子核內(nèi)可能存在著質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量相同的中性粒子。1921年美國化學(xué)家哈金斯將它命名為“中子”。2004-12-84山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院2.中子發(fā)覺的前奏：1930年德國物理學(xué)家博特(W.G.F.Bothe)與貝克爾(H.Becher)用自然放射性元素Po放出的α粒子轟擊鈹Be，發(fā)覺從鈹放射出一種穿透實力極強的射線。且這種射線在磁場和電場中都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們認為是高能量的γ射線。1932年1月，法國物理學(xué)家約里奧-居里夫婦重復(fù)了博特和貝克爾的試驗，并用這種新射線轟擊石蠟，結(jié)果從石蠟中打出大量質(zhì)子來。約里奧-居里夫婦把這種現(xiàn)象當成是一種強γ射線造成的“康普頓效應(yīng)”。錯失發(fā)覺中子的良機。2004-12-85山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院查德威克當時正在卡文迪什試驗室作放射性探討。對于約里奧-居里夫婦的試驗，他不贊同他們的說明。他用這種射線先后照射輕重不同的幾種元素，發(fā)覺這種射線與通常的γ射線性質(zhì)有所不同：通常γ射線照射到物質(zhì)上時，物質(zhì)密度越大，對γ射線的吸取越厲害，而這種射線剛好相反。且用它轟擊氫原子核時，竟然能被彈回來。說明這種射線是具有確定質(zhì)量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定，再利用動量守恒定律進行估算，確定出這種射線中性粒子的質(zhì)量幾乎和質(zhì)子相同。于是查德威克意識到這就是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的“中子”。于是在1932年的《Nature》上發(fā)表了《中子可能存在》的論文。3.查德威克的發(fā)覺：2004-12-86山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院4.意義1）建立了原子核的正確模型。2）引起了一些新的探討課題。3）由于中子不帶電，因此就使人們在核物理的探討中，擁有了一顆威力無比的炮彈，人們利用它打開了核能倉庫，昂首邁入原子能時代!查德威克的成功，是他能夠?qū)⒗碚擃A(yù)言與試驗現(xiàn)象親密結(jié)合，抓住機遇的結(jié)果。原子核物理學(xué)的興起查德威克2004-12-87山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院伊倫娜·居里和約里奧·居里原子核物理學(xué)的興起2004-12-88山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院他們又用α粒子轟擊硼和鎂，得到放射性同位素氮和硅。這樣約里奧-居里夫婦因人工放射性的發(fā)覺而獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎。也為核物理的探討及原子能利用開拓了道路。三人工放射性的發(fā)覺1934年1月，約里奧-居里夫婦用α粒子轟擊鋁，發(fā)覺撤走放射源后，還可檢測到放射性。

化學(xué)分析表明，他們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經(jīng)β衰變放出正電子,變成穩(wěn)定元素硅:30P15→30Si14+0e12004-12-89山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院后來人們發(fā)覺，用α粒子轟擊輕元素能夠得到放射性同位素，但用α粒子轟擊重元素，則很難產(chǎn)生。費米考慮了這一問題，認為，重元素原子核所帶正電荷較大，與α粒子的庫侖斥力很難讓α粒子產(chǎn)生轟擊效果。所以他選用中子作試驗，盡管中子的產(chǎn)額很少（核反應(yīng)放出的中子一般少于10-4），但由于它不必克服庫侖勢壘，所以與原子核撞擊的機會比α粒子或質(zhì)子大得多。2004-12-810山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1.慢中子效應(yīng)的發(fā)覺：1934年10月，費米小組的阿瑪爾迪等人把一裝在鉛盒內(nèi)的中子源放置在一個銀制的圓筒里，對銀進行輻射，他們發(fā)覺銀的放射性隨中子源的位置而變更，由于鉛是重金屬，費米建議他們用輕元素材料，如石蠟，于是他們把大塊石蠟挖了個洞，將中子源放入，然后輻照銀圓筒，結(jié)果銀的放射性增加了100倍。再放到水下做試驗，證明水也有類似作用。四慢中子效應(yīng)和核裂變的發(fā)覺費米經(jīng)過分析，認為：由于石蠟中大量的氫核（質(zhì)子）與中子質(zhì)量相近，中子碰撞后速度大大減慢，成為慢中子。慢中子經(jīng)過銀原子核的時間變長了，因此增加了中子被俘獲的機會。因為慢中子大大增加了轟擊的效果，所以慢中子及其作用的發(fā)覺為重核裂變的發(fā)覺打下了基礎(chǔ)。因此，人們將慢中子及其效應(yīng)的發(fā)覺看作是“核時代的起點”。2004-12-811山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1934年，用中子轟擊了63種元素，得到了37種放射性同位素。在試驗中，發(fā)覺了慢中子及其效應(yīng)。在用慢中子轟擊原子核的反應(yīng)中，他又發(fā)覺可生成新的元素。費米因利用慢中子轟擊原子核引起有關(guān)核反應(yīng)和利用中子輻射發(fā)覺新的放射性元素，獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)獎。由于受法西斯迫害，借領(lǐng)諾貝爾獎之機，攜家移居美國，在哥倫比亞高校任教。費米簡介：美籍意大利物理學(xué)家，1901年誕生于羅馬。17歲進入比薩高校，以X射線的專題論文獲得博士學(xué)位。之后赴德國格丁根高校，拜玻恩為師，1924年回意大利佛羅倫薩高校任教，并因在理論物理學(xué)方面的貢獻引起世界范圍的留意。1926年，任羅馬高校理論物理學(xué)教授，1927年提出費米-狄拉克統(tǒng)計理論，1933年提出β衰變理論。獲獎之后，費米與一些科學(xué)家們在核裂變的鏈式反應(yīng)探討中，同時預(yù)見到制造原子武器的危急。2004-12-812山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院當時德國的核裂變也已試驗成功，他們特別擔憂德國首先用以制造原子彈。于是，費米、西拉德等科學(xué)家于1939年8月一起找到了愛因斯坦，要求借助他的威望上書美國總統(tǒng)羅斯福，提示政府要切實留意德國的動向和已出現(xiàn)的危急，建議盡一切力氣要趕在德國納粹分子之前造出原子彈，以殲滅法西斯。上書信于10月11日轉(zhuǎn)到羅斯福手中，他馬上下令成立鈾礦顧問委員會，并撥了探討經(jīng)費，1941年12月6日，日本偷襲珍寶港的前一天批準了制造原子彈的浩大工程支配。為保密而取名“曼哈頓支配”。

1954年11月28日費米因胃癌逝世于美國的芝加哥，年僅53歲。為紀念他，第100號元素以他的名字命名為鐨。1942年12月2日，以費米為首的一批美國科學(xué)家建立了第一座原子反應(yīng)堆，人們利用原子能的時代從今起先。2004-12-813山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院2004-12-814山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院

1934年，當費米小組用中子轟擊鈾23892U時，得到了半衰期為13分鐘的一種放射性產(chǎn)物。2.核裂變的發(fā)覺：但德國女化學(xué)家諾達克夫人(T.Noddack)提出不同看法，她認為：“當重核被中子轟擊時，該核可能分裂成幾大塊。這些裂片無疑將是已知元素的同位素，而不是被輻照元素的近鄰”。但這一觀點沒有引起費米等人的留意，甚至當時的放射性權(quán)威哈恩認為諾達克夫人的觀點“純粹是謬論”。經(jīng)分析它不屬于鉛-鈾之間的重元素。依據(jù)已知核反應(yīng)規(guī)律，當中子轟擊原子核時，原子序數(shù)將增1，產(chǎn)生一新元素。1934年5月費米在《Nature》上發(fā)表了一篇短文《原子序數(shù)高于92的元素可能生成》，報道了可能是一種“超鈾”元素93。在隨后的4-5年里，人們又接連“發(fā)覺”了超鈾元素94、95、96和97號“超鈾”新元素。2004-12-815山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1938年，伊倫-居里和南斯拉夫的沙維奇(P.Savitch)進行了有關(guān)“超鈾”元素的分別和分析試驗。他們用中子轟擊鈾，產(chǎn)生了半衰期為3.5小時的放射性元素，其性質(zhì)接近鑭（鑭原子序數(shù)為57，后證明是鑭-141），于同年5月將試驗結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)院通訊》上。由于產(chǎn)生的放射性元素同鈾和“超鈾”元素的差別太大，又沒有意識到重核的分裂，于是放棄了試驗。當時德國化學(xué)家哈恩及猶太血統(tǒng)的奧地利女化學(xué)家邁特納(L.Meitner)也正在從事放射性探討?？吹揭羵?居里的文章后認為他們確定是搞錯了，于是馬上重復(fù)了居里的試驗，結(jié)果證明白伊倫-居里和沙維奇的結(jié)果。亦即確定在中子轟擊重核時確有中間元素（鑭和鋇）產(chǎn)生。1939年1月，德國《自然科學(xué)》雜志上發(fā)表了哈恩和斯特拉斯曼的試驗結(jié)果。2004-12-816山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院哈恩寫信將結(jié)果告知為了避難正在斯德格爾摩諾貝爾探討所工作的邁特納。邁特納和她的侄子弗里胥(O.Frisch，1934年流亡國外，在玻爾理論物理探討所工作)對哈恩的結(jié)果進行了探討。弗里胥在玻爾“液滴核模型”的啟發(fā)下，想到：假如核被中子擊中或許會以巨大的能量分裂。幾天后，弗里胥回到哥本哈根，將自己的想法告知了玻爾。玻爾聽了特別興奮，驚呼：“正應(yīng)當如此”。于是弗里胥和邁特納隨即聯(lián)名寫文章，論證重核分裂的產(chǎn)生。重核裂變的現(xiàn)象最終真相大白。“裂變(fission)”一詞也由此產(chǎn)生。2004-12-817山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院重核裂變一經(jīng)證明，人們馬上轉(zhuǎn)向由此可能釋放的核能。很多試驗證明白理論預(yù)期的能量，但是要利用這一巨大能量，必要條件是有可能產(chǎn)生自持的鏈式反應(yīng)。3.鏈式反應(yīng)：費米小組證明鈾核每次裂變平均可產(chǎn)生2個中子。他們選擇鈾235與石墨做試驗。并在軍方的支持下起先了曼哈頓工程。約里奧和他的同事們首先提出了“中子過?！眴栴}：輕核中子和質(zhì)子數(shù)近于相等，中等核中子數(shù)略多，重核中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)大的多。因此重核分裂成兩個較輕核時，必定出現(xiàn)中子過剩。假如過剩的中子又去轟擊重核，連鎖反應(yīng)即可發(fā)生。2004-12-818山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1941年12月起先，費米選擇了芝加哥高校的一座運動場的看臺下做為試驗區(qū)，起先了核反應(yīng)試驗。但有兩個問題須要解決，一是把中子減速為慢中子，以提高核裂變的效率；重水是很好的中子減速劑，但成本太高，一般水對中子減速太快，且有很強的吸?。蛔罱K選擇石墨作為中子減速劑。二是嚴格限制核裂變的反應(yīng)速度。最終選擇了鎘來吸取中子，以限制核裂變速度。設(shè)計方案為將反應(yīng)堆作成立方點陣形式，鈾層和石墨層間隔的布置在方陣中。1942年12月1日反應(yīng)堆砌好，并達到臨界狀態(tài)。次日抽出限制用的鎘棒，自持的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生了，得到的功率為0.5瓦。人類第一次實現(xiàn)了原子能的可控釋放。為了保密，他們用暗語向美國國家保衛(wèi)探討委員會主席通話說:“意大利航海家登上了新大陸”。從今起先了原子能利用的新紀元。第一座原子反應(yīng)堆2004-12-819山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院原子核物理學(xué)的興起原子彈利用的是沒有催化劑且不加以限制的原子核裂變鏈式反應(yīng)。美國動用了大量人力、物力，集結(jié)了世界大量的科學(xué)人才。1945年7月16日，在阿拉莫多哥沙漠，爆炸了第一顆原子彈。爆炸產(chǎn)生了上千萬度的高溫，幾百萬個大氣壓，放置原子彈的鋼塔忽然化成了氣體。杜魯門政府確定用原子彈折服死不倒戈的日本。1945年8月6日第一枚原子彈投在廣島，8月9日又在長崎投了其次顆，廣島死78,150人，長崎死23,700人。原子彈

前蘇聯(lián)于1949年2月22日，爆炸了第一顆原子彈。英國于1952年10月3日、法國于1960年2月13日、中國于1964年10月16日，分別爆炸了第一顆原子彈。2004-12-820山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院原子核物理學(xué)的興起氫彈繼原子彈后，又制造了威懾實力更大的氫彈。我國政府提出了不首先運用核武器倡議，并在1996年宣布停止核試驗。全世界現(xiàn)已擁有核彈頭5萬多個，相當于廣島原子彈的100萬倍。氫彈2004-12-821山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1)原子能發(fā)電站1954年6月27日，前蘇聯(lián)在莫斯科旁邊首先建成，現(xiàn)已有40多個國家擁有400多座核電站。核電站雖然一次性投資較大，但以后核電的成本低，比火電成本低30%左右，核電站還具有由運行平安，環(huán)境污染小等優(yōu)點，所以已經(jīng)在美、法、日、德、俄等國廣泛接受。原子核物理學(xué)的興起2)用于農(nóng)業(yè)螺旋蟲曾在美國南部和墨西哥肆虐，能在家畜中產(chǎn)卵，害死家畜。繁殖極快。美國以毒攻毒，將螺旋蟲用核輻射處理，使之無生育實力，但能交配，18個月內(nèi)，每星期播放5千萬只這樣的蟲子，整個地區(qū)螺旋蟲被殲滅。4.核能的應(yīng)用2004-12-822山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院2004-12-823山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院安德遜(C.D.Anderson)：美國加州理工學(xué)院密立根教授的學(xué)生，1930年起負責用云室觀測宇宙射線。云室置于磁場中。為了鑒別宇宙射線的性質(zhì)，在云室中安有幾塊金屬板，粒子穿過金屬板，就可區(qū)分其能量。1932年8月2日，安德遜在照片中發(fā)覺一條奇妙的徑跡，與電子的徑跡相像，卻又具相反的方向，顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率推斷，又不行能是質(zhì)子。于是他堅決得出結(jié)論：這是帶正電的電子。安德遜因此獲得1936年的餓諾貝爾物理學(xué)獎。當時他并不了解狄拉克的電子理論，也不知道狄拉克預(yù)言過正電子的存在。五正電子的發(fā)覺1928年，狄拉克從相對論和量子力學(xué)的一般原理動身，建立了相對論電子波動方程---狄拉克方程。但狄拉克方程有四個解，其中兩個正解分別對應(yīng)正能態(tài)的電子的兩個自旋態(tài)。狄拉克預(yù)言，另兩個解應(yīng)對應(yīng)于電子負能態(tài)的“空穴”------即反電子。2004-12-824山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1.中微子概念的提出：中微子概念的提出，與原子核的β衰變有干脆聯(lián)系。1914年查德威克證明α射線和γ射線的能譜是分立的，在衰變中放射的粒子所帶走的能量正好與原子核初態(tài)末態(tài)的能量差相等。但是，β射線的能譜是連續(xù)的。也就是說，β衰變放射出來的電子能量從零到最大值都有分布。有些電子的能量竟會小于初態(tài)與終態(tài)的能量差。那部分能量哪去了？六中微子的發(fā)覺1930年泡利提出：“只有假定在β衰變過程中，伴隨每一個電子有一個輕的中性粒子（稱之為中子）一起被放射出來，使“中子”和電子的能量之和為常數(shù)，才能說明連續(xù)β譜。”這里泡利指的“中子”即是中微子。2004-12-825山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院

費米接受了泡利的假說，并于1934年提出弱相互作用的β衰變理論。費米認為，正象光子在原子或原子核從一個激發(fā)態(tài)躍遷到另一個激發(fā)態(tài)時產(chǎn)生的那樣，電子和中微子是在β衰變中產(chǎn)生的。β-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個中子變?yōu)橐粋€質(zhì)子；β+衰變是一個質(zhì)子變?yōu)橐粋€中子。質(zhì)子和中子可以看作是一個核子的兩個不同狀態(tài)，因此質(zhì)子和中子之間的轉(zhuǎn)變，就相當于一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài)，在躍遷過程中同時放出電子和中微子。他們事先并不存在于核內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)生光子的是電磁相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的是一種新的相互作用—弱相互作用。β+衰變就是約里奧-居里夫婦發(fā)覺的放射正電子的人工放射性。2004-12-826山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院2.中微子的間接驗證：中微子不帶電，只參與弱相互作用，且穿透實力極強，幾乎可以不受任何阻礙的穿過地球，所以中微子的探測特別困難。1941年，我國物理學(xué)家王金昌首先提出了一個間接探測中微子的方法。他指出：“當一個β+放射性原子不是放射一個正電子，而是俘獲一個Ｋ層電子時，反應(yīng)后的原子的反沖能量和動量僅僅取決于所放出的中微子。原子核外電子的效應(yīng)可以忽視不計。因此，只要測量反應(yīng)后原子的反沖能量和動量，就很簡潔求得放射出的中微子的質(zhì)量和能量。而且由于沒有連續(xù)的β射線被放射出來，這種反沖效應(yīng)對全部的原子都是相同的。”1942年，美國物理學(xué)家艾倫(J.S.Allen)按上述方案進行了測量，取得了確定的結(jié)果，但未完全成功。1952年又重新進行了試驗，測出了原子的反沖能。戴維斯(R.Davis)也成功地重復(fù)了艾倫1942年的試驗。這樣，通過間接的試驗證明白中微子的存在。2004-12-827山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院3.中微子的干脆檢測：在核反應(yīng)中，中微子的放射數(shù)量級極大，通過對核裂變產(chǎn)物的探測，有可能確證中微子的存在。1956年，洛斯·阿拉莫斯試驗室的美國物理學(xué)家柯恩(C.Cowan)和萊因斯(F.Reines)首先在核反應(yīng)堆中檢測到。他們設(shè)計了一個規(guī)模巨大的試驗方案，他們探討下面反應(yīng)過程：通過探測出反應(yīng)產(chǎn)物：正電子e+和中子n，并測出準確的反中微子與質(zhì)子p的反應(yīng)截面，就可以證明反中微子的存在。通過艱苦的工作，他們最終在1956年宣布試驗結(jié)果與理論預(yù)期相符。2004-12-828山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院4.中微子的探討進展：1962年，美國的施瓦茨(M.Schwartz)等人通過加速器進行試驗，又證明白兩種不同的中微子νeνμ；70年頭中期，美國的佩爾(M.L.Perl)小組在APEAR的正負電子對撞機中又發(fā)覺了另外兩種中微子—ντ和反ντ。至此，中微子就有了六個且只有六個：2004-12-829山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院到目前為止，中微子質(zhì)量的測量仍在接著中，但試驗檢測只能減小中微子質(zhì)量的上限，如目前已經(jīng)測量到：對中微子的質(zhì)量是否為零，始終存在質(zhì)疑，緣由有兩個方面：①若中微子的質(zhì)量不為零，存在中微子振蕩，則太陽中微子失蹤之謎就揭開了；②有關(guān)暗物質(zhì)問題。天體當中有些物質(zhì)看不見，但存在，稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是什么?可能是黑洞、死星、宇宙塵?；蚰撤N氣體等，已經(jīng)知道暗物質(zhì)不是由重子組成，若中微子質(zhì)量不為零，則可能中微子是其組成之一。5.中微子的質(zhì)量：2004-12-830山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院七介子理論的建立在原子核性質(zhì)的探討過程中，人們漸漸明確了核力與核子是否帶電無關(guān)，核子之間的相互作用是一種短程力，其作用范圍約為10-13厘米。這種力遠比電荷間的電磁相互作用強大，因此不能簡潔的歸結(jié)為電磁相互作用，而是一種強相互作用。1.湯川的預(yù)言：1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(H.Yukawa)提出介子理論，用于說明強相互作用。他認為，核子之間是通過交換一種可稱為介子(meson)的粒子發(fā)生相互作用。并依據(jù)核力的作用范圍，估算出介子的靜止質(zhì)量約為電子的二百多倍。1949年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。2.介子的發(fā)覺：1937年安德森和尼德邁耶(S.H.Neddemeyer)在宇宙射線的探討中發(fā)覺了質(zhì)量約為電子的207倍的新粒子，稱為μ介子。但由于μ介子與原子核的相互作用很弱，不行能是湯川所預(yù)言的介子。1947年，英國物理學(xué)家鮑威爾(C.F.Powell)用核乳膠技術(shù)探測宇宙射線，發(fā)覺了另一種粒子，質(zhì)量為電子的273倍，稱為π介子。π介子才是湯川預(yù)言的介子。2004-12-831山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院八奇異粒子的探討1.發(fā)覺：1947年，在宇宙射線的探討中，羅切斯特(G.D.Roechester)和巴特勒(C.C.Butler)首先在曼徹斯特高校用云室視察到了奇異的“V”型事務(wù)：如右圖示，虛線表示電中性粒子V0，實線為帶電粒子。依據(jù)他們在磁場中的偏轉(zhuǎn)曲率和電離密度，可知V0的產(chǎn)物是p和π-。1954年，在美國布魯克海汶試驗室，3GeV同步質(zhì)子加速器投入運用，起先實現(xiàn)了人工產(chǎn)生“V”型粒子，這些粒子的性質(zhì)才得以探討。由于這些粒子有自己奇妙的性質(zhì)，所以稱為奇異粒子。比核子重的奇異粒子又稱超子，如Λ、Σ+、Σ0、Σ-、Ξ0、Ξ-等，表示為V01；比核子輕又比π介子重的介子則用V02表示，如K+、K0、K-、η等。2004-12-832山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院2.奇異粒子的兩個特性：①協(xié)同產(chǎn)生、非協(xié)同衰變：即在碰撞過程中，它們總是同時產(chǎn)生，可是衰變時卻獨立的進行，最終成為一般粒子；②快產(chǎn)生，慢衰變（強產(chǎn)生，弱衰變）。奇異粒子的產(chǎn)生過程是強相互作用過程，截面很大，碰撞的時間量級為10-24S，而衰變是弱相互作用過程，或電磁相互作用過程，所以奇異粒子的平均壽命都較長，是穩(wěn)定粒子。1953年，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和西島(NiShijima)用一新的量子數(shù)—奇異數(shù)來表示這一特性，并假定在強相互作用中奇異數(shù)守恒，而在弱相互作用中奇異數(shù)可以不守恒，從而說明白奇異粒子的協(xié)同產(chǎn)生非協(xié)同衰變的試驗事實。3.θ-τ疑難：當時對最輕的奇異粒子（現(xiàn)在稱為K介子）的衰變過程發(fā)覺了一個疑難：質(zhì)量、壽命、電荷都相同的兩種粒子--θ介子和τ介子，衰變時，θ衰變?yōu)閮蓚€π介子，它們的宇稱為正；τ衰變?yōu)?個π介子，它們的宇稱則為負。也就是說θ粒子與τ粒子衰變時，表現(xiàn)出具有完全相反的宇稱。鑒于質(zhì)量、壽命和電荷都相同，這兩種粒子應(yīng)為同一種，但從其衰變行為看，假如宇稱守恒，則θ和τ就不行能是同一種粒子。2004-12-833山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1956年的夏天，楊振寧與李政道一起，查閱了當時已有的關(guān)于“宇稱守恒”這個概念的試驗基礎(chǔ)以后，指出：這一疑難的關(guān)鍵在于人們認為微觀粒子的在運動過程種宇稱守恒，強相互作用和電磁相互作用的過程中，宇稱守恒是經(jīng)過試驗檢驗的，但在弱相互作用過程中，宇稱并沒有得到判決性的檢驗，沒有依據(jù)說它確定守恒。假如“宇稱守恒”在弱相互作用中并不成立，那么“宇稱”的概念就不能應(yīng)用在θ粒子和τ粒子的衰變機制中。這樣，θ粒子與τ粒子就可以是同一種粒子，θ-τ疑難即可迎刃而解。與此同時，他們還建議可以用β衰變等試驗來檢驗他們的推想。幾個月后，哥倫比亞高校美籍華裔吳健雄教授與美國華盛頓國家標準局的四位物理工作者一起，用鈷60的衰變試驗證明白在這種β衰變過程中宇稱的確不守恒。此后還有其他的試驗也證明這個結(jié)論的正確性。于是，在弱相互作用下的宇稱守恒原理，最終被推翻了。楊振寧與李政道因此共同獲得1957年諾貝爾物理獎。同年獲得愛因斯坦科學(xué)獎。2004-12-834山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院粒子物理學(xué)的發(fā)展楊振寧李政道2004-12-835山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院李政道和楊振寧楊振寧、李政道大膽提出粒子在弱相互作用中，宇稱不確定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一種粒子。粒子物理學(xué)的發(fā)展2004-12-836山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院吳健雄的試驗驗證吳健雄做了極化鈷60原子核β衰變試驗，將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場內(nèi)，試驗說明白β衰變規(guī)律宇稱不守恒，使楊、李的觀點得到了驗證，打破了人們的傳統(tǒng)觀念。吳健雄粒子物理學(xué)的發(fā)展2004-12-837山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院九粒子的分類在粒子物理學(xué)的發(fā)展過程中，提出過不同的分類方案，如①早期按粒子的質(zhì)量分類：光子（0）、輕子（輕）、介子（輕子和重子之間）、重子（重）；②按粒子的壽命分為穩(wěn)定粒子（平均壽命>10-18s)和不穩(wěn)定粒子（平均壽命在10-20-10-24S）；③分為粒子和反粒子。反粒子：反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋等與粒子相同，而電荷等相加性量子數(shù)與粒子異號。首先從理論上預(yù)言反粒子存在的人，是英國人狄拉克。25歲時狄拉克對量子力學(xué)就做出了令人矚目的貢獻。此后他致力于建立相對論性電子理論。最終他提出了著名的狄拉克方程。該方程不僅簡潔、美麗，而且還能解出試驗的自旋值和磁矩值，精細結(jié)構(gòu)，將量子力學(xué)中的康普頓散射、塞曼效應(yīng)等事實，通過相對論電子理論統(tǒng)一起來。2004-12-838山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院1955年賽格雷、張伯倫在高能加速器上獲得了反質(zhì)子。1956年發(fā)覺反中子。1959年，我國科學(xué)家王淦昌發(fā)覺了反西格馬負超子（）。人們又起先想到能否用反質(zhì)子、反中子、正電子，組成一個反原子。1995年起先，歐洲粒子探討中心的科學(xué)家，在(LEAR)低能反質(zhì)子環(huán)中，產(chǎn)生了9個反氫原子，雖然它們存在的時間僅為三億分之四秒，但是，卻將人們對物質(zhì)的認知領(lǐng)域大大擴展了。粒子物理學(xué)的發(fā)展賽格雷像2004-12-839山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院張伯倫像粒子物理學(xué)的發(fā)展2004-12-840山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院現(xiàn)在公認的科學(xué)分類方法是按粒子參與相互作用的類型來分。粒子共參與四種相互作用：強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三種相比太弱，因此粒子物理學(xué)中不考慮它。①輕子：主要參與弱作用，帶電的輕子也參與電磁作用，自旋都是1/2，所以是費米子；輕子必定以粒子與反粒子對的形式生成湮滅。電子等6種是輕子，加上它們的反粒子，輕子共12種。②強子：干脆參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子，強子也參與弱作用，帶電強子也參與電磁相互作用。強子又分為介子和重子兩類：自旋為整數(shù)或零的稱為介子，如π、K、Η等；自旋為半整數(shù)的稱為重子，如p、n、Σ、Λ、Ξ等；③規(guī)范玻色子：是傳遞各種相互作用的中介者，它們是傳遞電磁作用的光子；傳遞弱作用的W±、Z0，傳遞強作用的膠子。膠子至今未發(fā)覺。規(guī)范玻色子都是玻色子。2004-12-841山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院十強子結(jié)構(gòu)和夸克理論1.坂田模型最早提出強子結(jié)構(gòu)模型的是費米和楊振寧，1949年他們提出，π介子是由核子（質(zhì)子、中子）和它們的反粒子（反質(zhì)子和反中子）組成。由于當時反質(zhì)子和反中子尚未發(fā)覺，所以，這一模型的提出須要確定的學(xué)問積累和膽識。1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：強子都是由質(zhì)子、中子和Λ超子以及它們的反粒子組成。這些粒子稱為基礎(chǔ)粒子。2.八重法1961年，美國物理學(xué)家蓋爾曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)對稱性對強子進行分類的“八重法”。這一方法概括了當時已經(jīng)發(fā)覺的大量粒子，并預(yù)言了Ω-1粒子的存在。這一預(yù)言于1964年被試驗證明。2004-12-842山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院3.夸克理論1964年蓋爾曼進一步提出假設(shè)，即作為SU(3)群的物理基礎(chǔ)的三重態(tài)，不僅僅是某種數(shù)學(xué)框架，而是三種不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)。并提出強子結(jié)構(gòu)的“夸克”模型：他認為夸克是自然界中更基本的組成粒子，全部強子都是由三種夸克和它們的反粒子組成?？淇诵再|(zhì)：①夸克必需是費米子。因為費米子可以構(gòu)成費米子，也可以構(gòu)成玻色子；而玻色子只能構(gòu)成玻色子，不能構(gòu)成費米子。②夸克具有分數(shù)電荷。上夸克的電荷為2e/3，下夸克的電荷為-e/3，奇異夸克的電荷也為-e/3。③夸克帶有色荷：紅色(R)、黃色(Y)、綠色(G)。這些色荷確定夸克參與強相互作用的強弱程度。標準模型：中子由2個下夸克和1個上夸克構(gòu)成，寫作(udd)；質(zhì)子則由2上夸克和1下夸克構(gòu)成，記為(uud)。在強子內(nèi)部，夸克通過膠子傳遞強相互作用。膠子帶有色荷，彼此有相互作用，可以形成膠子-膠子束縛態(tài)（即膠球）。2004-12-843山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院粒子物理學(xué)的發(fā)展蓋爾曼像由于夸克模型能夠成功的說明很多已知事實，把極為困難的事情變得特別簡潔，而且在說明強子分類和質(zhì)量譜等方面特別成功，所以這一模型為大多數(shù)人所接受。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學(xué)獎。2004-12-844山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院J/ψ粒子是自旋為1的玻色子，質(zhì)量很大，比質(zhì)子質(zhì)量還大3倍多。它的電荷是2e/3；但壽命卻稀奇的長，達到10-20秒，是類似能量的典型強子的1000多倍。為了說明J/ψ粒子的性質(zhì)，人們提出了一種新的夸克---桀夸克（c夸克）。J/ψ粒子是由一個桀夸克和一個反桀夸克組成的束縛態(tài)。4.桀夸克的發(fā)覺1974年8月，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的探討小組，在布魯克海文試驗室的質(zhì)子加速器（能量為3.3×1010eV）上發(fā)覺了一個新粒子，將其命名為“J”，并于11月份宣布。同時在美國西海岸的斯坦福高校直線加速器中心的里克特小組也發(fā)覺了類似的粒子，并將其命名為“ψ”。因此，這個粒子就命名為“J/ψ”。不久在意大利和德國的加速器上也相繼視察到這個粒子。為此，丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學(xué)獎。里克特2004-12-845山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院5.底夸克(b)和頂夸克(t)依據(jù)基本粒子的發(fā)覺歷史，可將夸克分為三代，第一代夸克為上夸克和下夸克(u、d)；其次代為奇異夸克和桀夸克(s、c)。從20世紀70年頭，人們起先找尋第三代夸克---底夸克(b)和頂夸克(t)。1984年，歐洲核子中心（CERN）發(fā)覺了頂夸克的痕跡。但真正找到它們卻特別困難。1992年5月，費米試驗室利用Tevatron對撞機(加速器長6.4公里)找尋頂夸克，參與試驗的是兩個國際性合作組：CDF和D0，共800多人。1994年最終視察到頂夸克的試驗證據(jù)，并測定了其質(zhì)量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是質(zhì)子質(zhì)量的180多倍，是最輕的上夸克的30000多倍，大大出乎人們的預(yù)料。在標準模型中，質(zhì)量認作為一個基本常數(shù)，它是依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，人為的加到理論中去的。但為什么夸克有三代的劃分？三代間的質(zhì)量為什么相差懸殊？有沒有第四代？是什么因素確定了它們的質(zhì)量的大小等等問題都在等待答案。2004-12-846山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院6.夸克囚禁在目前的相識水平上，夸克是最小的物質(zhì)粒子，在構(gòu)成強子時，夸克之間的作用還要借助膠子，就象傳遞電磁作用的媒介粒子---光子一樣。由于夸克所帶色荷有三種，所以膠子有8種。一般地，介子由一個夸克和一個反夸克構(gòu)成，重子由三個夸克構(gòu)成。這些正反夸克之間的相互作用是通過交換膠子來完成的。約束核子在原子核內(nèi)的力是核力，約束夸克在重子和介子內(nèi)的力是“色力”。不同的是核力對核子的約束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脫離原子核并不是特別困難。但是色力卻使夸克不行跨越，從試驗狀況看，人們從未發(fā)覺單個、自由的夸克，只有2個或3個夸克的集合體才能處于自由狀態(tài)，通常狀況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部?？淇艘獩_破色力的束縛成為自由夸克幾乎是不行能的。這種現(xiàn)象稱作“夸克囚禁”。但與此同時，粒子加速器上的試驗，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，似乎并沒有相互作用力。這是當時科學(xué)探討無法完全說明的問題。只有了解夸克之間的相互作用力的性質(zhì)，才有可能得到單個的自由夸克，從而解決這個難題。2004-12-847山東師范高校物理與電子科學(xué)學(xué)院“弦”模型：關(guān)于“夸克囚禁”，意大利和美國物理學(xué)家曾提出“弦”模型來說明。1968年，意大利的維尼基亞諾(Vineziano)找到了一個與量子場論無關(guān)的函數(shù)，它能很好的描述強子的很多特征。但假如用這個函數(shù)描述粒子的性質(zhì)，粒子將等效成一根一維弦。這意味著粒子的點狀結(jié)構(gòu)將被一根“弦”來代替。最初引用“弦”概念的是美國加州理工學(xué)院的許瓦茲(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。由于舊弦理論存