物质探微的发展史

物质探微的发展史第1页/共67页参考教材：陆埮（tan）罗辽复编写的《物质探微.从电子到夸克》主要内容有如下几个章节第2页/共67页1、建造世界（物质）的砖石3、奇异粒子（一批不速之客）4、镜子理得世界5、短命的共振子6、粒子的内部8、走向统一2、粒子物理学的诞生0、绪论第3页/共67页绪论（上）

探粒子之微物理学不会停留在原子物理学的层次上。在原子物理学的基本问题获得解决以后，物理学就走向原子核物理学。第4页/共67页一、中子的发现1930年，居里夫人的女婿和女儿约里奥·居里夫妇用高速度的氦核打击铍原子核，发现了一种新的穿透本领极强的射线。约里奥·居里夫妇用高能量的光子即射线来解释，其能量之大，异乎寻常，竟高达40～50Mev（电子伏特）之多。现刀已用于外科手术。约里奥·居里夫妇第5页/共67页查德威克发现中子卢瑟福的学生，英国物理学家查德威克（J.Chadwick)猜想这可能是中子，因为卢瑟福的氢原子模型中的电子，将最后掉在质子里面，形成和质子质量差不多大小的中子。1932年，查德威克做了几个实验，证明了这一穿透本领极大的射线，确实是质量比质子略大的、中性的不带电的新粒子，亦即中子。查德威克因发现中子而获1935年度诺贝尔物理学奖第6页/共67页质子＋中子＝原子核中子的出现立即受到所有核物理学家的欢迎，伊凡宁科（Ivanenko）和海森堡（W.K.Heisenberg）提出了原子核是由质子和中子构成的原子核结构理论。因为中子的特点是不带电并且和质子具有相同的自旋，这就可用这一模型完满地解释原子核所具有的自旋，解释为什么自然界可以有原子序数相同但质量却不尽相同的同位素。原子结构示意图海森堡第7页/共67页中子成为轰击原子核的炮弹由于中子不带电，中子可以自由地打进任何带电的原子核，物理学家们就得到一种效率更高的打碎原子核的炮弹。1934年，意大利物理学家费米(E.Fermi)用中子轰击元素周期表中的元素原子，于是，便发现了超轴元素；这一发现被认为是原子时代的真正起点，费米因此而荣获1938年诺贝尔物理学奖。1938－1939年，哈恩和迈特纳等人发现了核裂变；接着人们还发现了中子的链式反应；1942年，费米利用链式反应原理建立了第一个能产生原子能的反应堆。核裂变核原应堆第8页/共67页第一颗原子弹的爆炸1942年，曼哈顿工程：第一颗原子弹的研究工作拉开序幕。一大批物理学家、工程技术人员在位于美国新墨西哥州一个叫洛斯－阿拉莫斯的荒凉高地上秘密进行。美国物理学家奥本海默（J.R.Oppenheimer）任实验室主任。1945年，原子弹之父奥本海默等人利用中子链式反应爆炸了第一颗原子弹。日本广岛：一片废墟放射性爱因斯坦与奥本海默第9页/共67页比原子弹威力更大的氢弹（泰勒）氢的核反应氢弹的爆炸当量在数百万吨TNT炸药氢弹之父：泰勒第10页/共67页和平卫士原子弹的威慑力使得全面禁止和彻底销毁核武器，成为当代有关和平和发展问题中国际人士所最为关心的重大国际问题。第11页/共67页中国的原子弹事业的发展1946年，我国科学家钱三强、何泽慧，发现了轴原子核的三分裂和四分裂的现象。1964年，我国成功研制了原子弹；1967年，我国成功研究了氢弹；成就了中国的大国地位，也缓减了核威慑。中国原子弹之父：邓家稼中国氢弹之父：于敏第12页/共67页中国广东大亚湾核电站第13页/共67页二、中微子的发现1928年，伽莫夫根据量子力学所必然蕴含的势垒穿透效应，满意地解释了α粒子的衰变现象。但是，β衰变现象却不易理解。β衰变的结果是原子核将增加一个新电荷！如何理解β衰变现象？物理学家一筹莫展。伽莫夫第14页/共67页中子发现以后，海森堡推测，β衰变可能是原子核中的中子放出电子后，本身却转变为一个质子的过程。但是，海森堡立即发觉这一想法并不恰当。因为如果β衰变现象中，中子转化为质子和电子的话，那么所释放出的电子的能量一定是确定的，而实验上所测到的电子能量却是连续分布的，这和能量守恒定律相矛盾。质子、中子、电子也有确定的自旋，所以，中子转化为质子加电子的假说，也和角动量守恒的定律发生冲突。W.Heisenberg第15页/共67页面对这种理论上的困难，玻尔甚至悲观地认为，在原子核内部，能量守恒定律、角动量守恒定律甚至量子力学可能都不成立！NilesBohr第16页/共67页泡利提出中微子假说1931年，泡利（W.Pauli)提出中微子假说，指出β衰变不仅放出一个电子，而且同时放出一个和电子自旋相同、没有静止质量、没有电荷的中性粒子，这就能同时满足能量守恒定律和角动量守恒定律。中微子的质量既然如此之小，又看不见，摸不着，就产生了一大疑问：这是真的，还是假的？中微子的存在，需要实验上的支持。泡利

WOLFGANGPAULI

(1900-1958)第17页/共67页实验证明中微子存在！1941年，我国物理学家王淦昌在浙江大学（那时正值抗日战争，浙江大学搬迁到贵州省遵义市）写了一篇短文，建议用Be7的K层电子的俘获现象来检验中微子的存在性，指出如存在着中微子，那么K俘获后的子核Li7将必然具有能量为57eV的单能的反冲。可惜的是，由于正值抗日战争时期，物质条件十分困难，王淦昌无法亲自进行这一实验。第18页/共67页实验证明中微子存在！中微子的存在，不仅在原子核物理的研究中有着重要的意义，而且在宇宙论的研究中，起着十分重要的与基本的作用。1942年，阿仑按照王淦昌的建议做了这一实验。由于实验上存在不少技术问题，直到1952年，才最后测到Li7的反冲能量是（55.9±1.0）eV，这和理论预言值（57.3±0.5）eV符合。“十年磨一剑”，中微子的存在性，才最终得到证明。第19页/共67页三、正电子的发现薛定谔和海森堡的量子力学是在牛顿力学的基础上，贯彻“波粒二象性”的原则，亦即实现量子化的方案而建立的。由于狭义相对论的出现，牛顿力学已发展成为相对论的力学，因而量子力学的进一步发展，必然是量子论和狭义相对论的相结合。第20页/共67页狄拉克方程预言的反粒子的存在！1928年，英国物理学家狄拉克（P.Dirac）,首先实现了相对论力学方程的量子化，这也就是著名的狄拉克方程。狄拉克获1933年诺贝尔物理学奖。狄拉克方程的出现，首先更完满地解释了氢原子的光谱的精细结构，也解释了重原子中X射线光谱中的许多疑难。狄拉克方程更重要的成就，是在理论上预言了反粒子的存在。狄拉克

PAULDIRAC

(1902-1984第21页/共67页狄拉克方程预言的反粒子的存在！也就是说，在实验上除了已观察到各种正粒子如电子、质子、中子等粒子外，根据狄拉克方程，就一定存在着正电子、反质子、反中子等新的“基本”粒子。这是一个大胆的预言。然而当时实验上并未发现有这类反粒子，因而狄拉克的预言，就成为许多实验物理学家嘲笑的对象。第22页/共67页狄拉克与正电子的故事据前苏联著名实验物理学家卡皮察回忆，在当时的剑桥大学的学术讨论会上，不论讨论什么科学主题，在会议结束前，总有人站起来说：“狄拉克，你的正电子在哪里？”最后就轰然一笑而散。狄拉克为的摆脱这一窘境，便放出风声说，他所预言的正电子，就是质子。实际上，狄拉克很清楚，这一正电子必须和电子具有相同的质量。第23页/共67页赵忠尧的实验观测1930年，我国核物理学家赵忠尧在测量光子在物质中的散射截面时，发现了一种反常的辐射峰。实际上，这是由于光子在物质中已产生了正电子，这一正电子进一步和电子发生湮灭现象，而转化为2个光子。由于电子和正电子的静止质量都是0.51MeV，所以在实验上就看到在0.5MeV能量左右的辐射峰。第24页/共67页正电子、反质子、反中子…的发现1932年，安德森（C.Anderson)在宇宙线里发现了正电子，表明确实存在一个光子转化为正负电子对的现象。1955年，塞格里和张伯伦合作发现了反质子，1956年，又发现了反中子；1960年，王淦昌、丁大钊等人又发现了反西格玛负超子Ω……于是，在“基本”粒子的队伍中，就出现了一个新的家族－－反粒子家族。第25页/共67页四、μ子的发现随着中子的发现，人们发现中子和原子核有极强的相互作用。实际上，这意味着中子和质子、中子和中子还有质子和质子之间，出现了一种新的相互作用，即强相互作用。这一相互作用的特点是：1.其强度远远大于通常的电磁相互作用，约是电磁作用的103倍。2.其力程特短，大约只有10－13～10－12厘米的范围，超出这一范围外，其相互作用力以指数函数的形式而迅速降低到零。第26页/共67页汤川秀树的π介子为了解释中子和质子间出现的“核力”所具有的特点，1935年，日本著名物理学家汤川秀树（YukawaHideki)提出了一个“创造性”的想法，认为这一核力的本质，在于在中子和质子间“交换”了一种其质量约是电子的200多倍、但尚未发现的“介子”，或称为π介子。第27页/共67页汤川秀树的π介子这一解释自然是十分奇特的，也是令人难以置信的。难道真的发现了π介子？但是过了两年，即1937年，安德逊等人竟然在宇宙线中发现了一个质量约为电子200多倍的“介子”！于是，汤川的理论“预见”就成为轰动一时的新闻，汤川本人也因此获得1949年诺贝尔物理学奖。第28页/共67页不是π介子、原来是μ轻子！然而，事实上，不久即发现，这一“介子”并不是汤川所预言的π介子，因为这一“介子”并不像人们所期待的那样，将和核物质具有很强的相互作用。相反，这一“介子”除了有和核物质的电磁作用外，还有远比电磁作用还弱的弱相互作用，其微弱的程度约是10－10！第29页/共67页不是π介子、原来是μ轻子！后来进一步的研究表明，这一粒子根本不是介子家族的成员，而是应称为μ轻子，并和电子、中微子等粒子组成一个新的家族，即轻子族。这一轻子族有一个显著的特点：满足轻子数守恒的定律。第30页/共67页历史的误会！汤川介子，亦即π介子，直到1947年，亦即在12年后，才在宇宙线和加速器中发现，但在这期间，人们一直把μ子当作π介子，这纯属“历史的误会”！μ子的发现当然是富有戏剧性的。但是我们之所以着重介始有关μ子发现的这些戏剧性的情节，还因为μ子为原子核许多性能的研究，开拓了新天地。第31页/共67页μ子：登月宇航员μ子，由于它本身带负电，而又质量较重，因而极易为原子核所俘获，形成μ子原子。通过μ子和原子核的相互作用，人们可研究原子核的许多性质。有些人将此喻作好象是派遣了一位登月宇航员去月球考察。第32页/共67页张文裕的“反常”原子的发现1950年，我国著名物理学家张文裕在宇宙线中观察到一种能量比较确定的辐射，这种辐射被称为张氏辐射。后来经进一步的研究，发现这一特殊的辐射是由于μ子被碳原子俘获而成为μ子原子，这一辐射即是在形成这一原子时所放出的特殊辐射。张文裕的这一发现，还开拓了一个新领域：“反常”原子的研究。第33页/共67页五、奇异粒子的发现1947年，英国物理学家鲍威尔在宇宙线中用核乳胶发现了π介子，并发现π介子衰变了一个μ子加某个中性粒子，亦即μ中微子。这就最终澄清了这一争议达12年之久的π-μ疑难。1947年，罗彻斯特和巴特勒在宇宙线中发现了形如英文字母“V”的粒子。由于这一“V”形的夹角较大，很难用正负电子对的产生来解释，因而猜测可能是某种新粒子，而且其实验上测得的可能具有的质量范围已很难用已知粒子来解释。第34页/共67页实验发现两类V粒子1949－1950年，安德森和当时是青年物理学家的肖健进一步用云雾室在宇宙线中收集到较多的实例，对这一“V”粒子的质量、寿命等性质作了比较仔细的研究，结果发现这类V粒子可分为两类：1.一类是质量比质子质量较大，即约为1200MeV左右的粒子；2.另一类是质量较轻、但比π介子重的、质量约在500MeV左右的粒子第35页/共67页现在我们知道，前一种粒子是Λ0超子，后一种粒子是Κ0介子。后来人们进一步发现，这两种粒子具有某种“奇异”性，亦即它们都具有强相互作用，而且质量比起它们的次级粒子，如质子、中子、π介子等强作用粒子要重很多。第36页/共67页具有强相互作用的奇异子“理应”通过强相互作用即能衰变成为这些“强子”，亦即具有强相互作用的粒子，但安德森和肖健等人的工作表明，这些粒子的寿命约是10－10秒的数量级，这和强相互作用的特征量10－23秒相差约1013倍之多！所以，人们普遍认为，这些粒子具有一种新的量子数，亦即奇异数。这一奇异量子数的发现为后来人们构造关于强子的结构模型、夸克模型（层子模型）等，起了重要作用。安德森和肖健等人的工作，为奇异粒子这一新概念的建立，提供了实验基础。第37页/共67页六、弱相互作用的发现及其基本定律的确立弱相互作用现象的发现始于β射线的发现，但那时人们并不懂得β射线是属于粒子间的弱相互作用一类的现象。1934年，费米继泡利提出中微子假说以后，也提出一种有关β射线产生机制的解释，即认为中子通过“4费米子弱相互作用”而衰变为质子、电子以及反中微子。E.Fermi费米的β衰变的电子－中微子理论第38页/共67页费米的β衰变的电子－中微子理论E.Fermi换言之，

β衰变实为质子与中子之间的相互转化，质子和中子是核子的两个不同的量子态，二者之间的相互转化相当于核子在不同量子态之间的跃迁，电子和中微子是跃迁的产物，原先并不存在于原子核内。第39页/共67页弱相互作用与电磁相互作用属同类费米还认为：这一相互作用的类型，是属于“矢量型”的，亦即这是和电磁相互作用相类似的一种相互作用类型。这一类型的相互作用，有一个重大特征，那就是“同性相斥、异性相吸”。例如，正电荷和负电荷之间相互吸引，而同样符号的电荷却相互排斥。第40页/共67页另一种与引力相互作用同类型的相互作用在哪里？但是，从理论上说，还可以存在另一些相互作用形式，如“标量型”和“张量型”。这类相互作用的特点，不仅“异性相吸”，而且“同性也相吸”。如万有引力就是属于“标量型”和“张量型”，正粒子和反粒子以及它们之间的相互作用力，都相互吸引。第41页/共67页对于弱相互作用的认识费米子认为弱相互作用是“矢量型”式“赝矢型”的，当然也有人认为是“标量型”的或“张量型”的，还可以是“赝标型”的。从1935－1955年，整整一代的研究β衰变现象的实验物理学家，其工作中心就是要确定：1.这一相互作用的强弱，亦即测定它们的耦合常数的大小；2.确定它们是“同性相斥、异性相吸”，还是“同性相吸，异性也相吸”。第42页/共67页K介子之“谜”＝－τ之“谜”1956年，由于对新发现的奇异粒子的各种奇异行为的数据积累，人们注意到K介子之“谜”！这些K介子有近乎相等的质量和相同的寿命，但却具有“相反”的宇称。按照传统的观点，（≡＋）的宇称将是正，而（≡τ＋）的宇称却是负。这就提出一个深刻的理论问题，为什么两个宇称相反的粒子，却会具有相同的寿命和质量？第43页/共67页弱相互作用下宇称不守恒的发现李政道和杨振宁深入地研究了这一假说，并在1956年5月得出结论：1.过去做过的关于弱相互作用的实验实际上与宇称守恒问题并无关系；2.在电磁和强相互作用方面，确有许多实验以高度准确性确立了宇称守恒定律，但准确度仍不足以揭示在弱相互作用下宇称守恒或不守恒。对称破缺：李政道和杨振宁第44页/共67页激动人心的1956年！李政道和杨振宁在1956年夏天建议进行涉及β衰变、π–μ、μ–e及奇异粒子的一系列实验，以验证宇称是否守恒。1957年，吴健雄及其合作者按照他们的建议首先从钴的β衰变的实验中，证明了在弱相互作用下，宇称的确不守恒。这就为弱相互作用的研究开拓了正确的道路。1957年，李政道和杨振宁同时获得了诺贝尔物理学奖。上帝的鞭子：泡利（W.Pauli)和实验物理学的第一夫人：吴健雄第45页/共67页弱电统一的前奏！由于宇称不守恒定律的发现，加上在此基础上进行了大量的实验研究，马夏克和苏达香提出了普适费米型的弱相互作用理论，指出“矢量型”和“赝矢型”的耦合是弱相互作用的主要型式。由于弱相互作用和电磁相互作用，均同属于“矢量型”的相互作用，从而为后来的弱电统一理论提供了前提。第46页/共67页我国物理学家在这一领域的贡献！我国学者周光召、朱洪元、何祚庥等在普适费米型弱相互作用方面做了有价值的工作。周光召首先指出通过张文裕所发现的μ子原子的吸收效应的研究，将能获得有关矢量型相互作用的修正项亦即弱磁效应的许多知识，以及赝矢项的修正项亦即赝标项的许多知识。第47页/共67页绪论（下）走向更深入的认识！从20世纪30年代到50年代，人们所取得的成就是：一方面确立了物质构成的基元亦即“基本”粒子；另一方是发现了这些粒子间的相互作用，如电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。这就促使人们更深入地追求这些相互作用，亦即场的本质。第48页/共67页一、“基本”粒子是一个大家族到了20世纪50年代，物理学家们倡议用加速器大量产生“基本”粒子，以便深入研究它们的性质和相互作用，并且还陆续建造了若干探测粒子的新仪器、新工具。这样一来，在“基本”粒子家族的名单上，就一下子增加了许多新的成员，如ρ、ω、η、Δ……这些粒子有一个特点，那就是它们的寿命极短，只有10－23秒左右。这些粒子产生后，以光速c飞行，即使“穷其一生”，所能飞行的距离也只是：3×1010×10－23＝3×10－13厘米。亦即比原子核的半径还要小！所以，这些粒子在宇宙线中是“看不见”的。第49页/共67页二、“基本”粒子是否基本？从1950年到1964年，这类共振粒子以及“稳定”粒子先后共发现了200多个。这就引起人们的疑问：难道这些数量达到200多个的粒子，都是“基本”粒子？至少，这类寿命极短的（一般为10－23秒）并且是数量最大的、由强相互作用占主要地位的粒子，是“基本”粒子吗？“基本”粒子是否基本？随着20世纪50－60年代的粒子物理学大发展，就不断地成为一些粒子物理学家思考着的问题。第50页/共67页1、费米和杨振宁的质疑费米和杨振宁可以说是首先对“基本”粒子提出质疑的“第一人”。1949年，费米和杨振宁合写了一篇《介子是基本粒子吗？》的文章，尝试用质子和反质子、中子和反中子等来解释π介子。也就是说，费米—杨振宁模型满足SU（2）对称性，认为π介子是由核子和反核子组成的结合态，p和n以及它们的反粒子是基本粒子，其他粒子是以此为基础而被建构起来的。第51页/共67页费米－杨振宁模型的不足但这一模型不能很好地解释奇异粒子，因为p和n都不是奇异粒子，所以由它们也就不可能构成奇异粒子。正如杨振宁在《忆费米》一文中所指出：“我们并不抱任何幻想，以为我们们给出的内容可能真的符合现象。事实上，我原来倾向于将此文湮没在笔记本中不予发表。但费米说，学生的任务是解决问题，研究人员的任务是提出问题，而他认为我们提出的问题有发表价值。这里我可以附带声明，此问题今天（1963年）仍未解决。”（《杨振宁演讲集》，南开大学出版社，1989年版，第5页）第52页/共67页2、从坂田模型到夸克模型坂田昌一可以说是注意到“基本”粒子是否基本这一问题的第二人。坂田昌一在他的一篇自述中说，恩格斯的《自然辩证法》和列宁的《唯物主义和经验批判主义》这两部经典著作使他在“内心深处产生了一个强烈的冲动，想在我的真正的研究工作中实际运用自然辩证法作为当代科学的方法论”，这些思想“确实鼓励了我，使我敢于同把基本粒子当作物质的始原的观点相抗衡，集中力量以物质的层次的观点来研究复合模型”。第53页/共67页坂田模型的成功与不足于是，在1955年，坂田根据当时实验总结出来的强相互作用粒子的经验规律性，提出了强相互作用粒子亦即强子的复合模型。这一模型的基本思想是认为一切强子都由三种更为“基本”的粒子所构成，这三种基本粒子是质子（p)、中子（n）和一种奇异粒子亦即Λ粒子（Λ0）。坂田模型在解释强相互作用粒子或又称为强子中的介子家族（如π、Κ）的分类和有关性质上，是高度地获得成功的。但是，将坂田模型应用于研究强子中的重子家族，其结果却不很理想。第54页/共67页三、从坂田模型到夸克模型1964年，盖尔曼和兹韦格（GeorgeZweig，1937-）（右图）在强子分类八重法的基础上分别提出了更复杂的夸克模型（相当于基本粒子的“周期表”），他认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（quark）组成的（一些中国物理学家称其为“层子”）。夸克与所有已知的亚原子粒子不同，它们带有分数电荷，例如：+2/3或-1/3（左图）。夸克都是两两成对、或三三成群，不可能单独被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子，这就是著名的夸克模型。“夸克”一词是盖尔曼从乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan'sWake)中的诗句改编而来的。八重法第55页/共67页夸克模型最初，用三种夸克及其反粒子就可以解释当时已发现的强相互作用的粒子，这三种夸克是上夸克（up，u）、下夸克（down，d）和奇异夸克(strange，s)。介子（p±，p0，K±，K0…）由正反夸克对（q`q）构成，重子（p，n，Λ，∑…）

由三个夸克（qqq）构成。这里q代表夸克，`q代表反夸克。夸克具有分数电荷，以质子电荷为单位，u，d，s的电荷分别为2/3，-1/3，-1/3。根据夸克模型，盖尔曼预言某个未发现的粒子应电荷为-1，奇异数为-3，质量为1680兆电子伏。第56页/共67页夸克模型1964年，在氢气泡室实验中果然观测到了盖尔曼预言的新粒子，称为沃米格负（Ω-），并测得其质量为1672.45±0.29MeV，与理论的预言完全一致。虽然夸克模型取得了巨大成功，但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。第57页/共67页夸克模型原子核内粒子的间的强作用力是原子核内起维系作用的力，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。1967年初，美国斯坦福大学20GeV的电子直线加速器建成（右图），随着能量增大，实现了高能电子的“深度非弹性散射”，出现了新现象。由于质子的直径约为10-13厘米，高能电子正好可探测到质子内部，因此被称为电子-质子的深度非弹性散射。实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。这一发现令科学家们大吃一惊。第58页/共67页部分子模型＝夸克模型1969年，美国科学家费曼（RichardPhilipsFeynman，1918-1988）提出了部分子模型（partonmodel），他认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。部分子模型和夸克模型是从不同的角度、用不同的方法，得出了同样的结论。费曼第59页/共67页三、从坂田模型到夸克模型部分子模型和夸克模型结合起来描述：强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的，并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；第二类称为海夸克，它们的数目和味是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；第三类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传