第二章、粒子物理学的降生.ppt

1、邢永忠对物质从电子到夸克的探索，一点一点揭开了物质世界的神秘面纱。第二章：粒子物理学的诞生。尽管上述电子、光子、质子和中子的发现历史涉及到人类已知的前四种基本粒子，但这些研究主要是为了原子物理学和核物理的发展。就像人们陶醉于建造物质建筑的辉煌成就和完成粒子水平基本发现的喜悦一样，始于20世纪30年代初的一系列新粒子的发现向人们展示了粒子水平丰富的物理内涵，宣告了粒子物理学的诞生。有负质量粒子吗？在20世纪的第一季度，物理学取得了两项突破。一是相对论的发现，二是量子力学的建立。相对论在高速问题上发展了牛顿力学。量子力学在小尺度(微观)问题上发展了牛顿力学。他们都沿着自己的道路发展，并取得了辉煌的

2、成就。如何将它们结合起来，是20世纪20年代后期物理学家的一个重要课题。在相对论中，能量e和动量p之间是平方关系。也就是说，对于具有一定动量的粒子，能量值可以是正的，也可以是负的。正能量范围的最小值为0，负能量范围的最大值为0。中间有一个宽度为0的间隙。因为能量与质量有关(质量能量方程)，负能量意味着负质量。如果一颗子弹有负质量，它会射向射手本人，这显然是荒谬的。然而，这种情况在经典物理学中并不严重。人们从未见过质量为负的物体，这并不一定意味着质量为负的物体不存在，只是因为以前存在的物体都是质量为正的。在经典物理学中，所有的运动和变化都是连续的，一个原本是正能量的物体不能穿过能隙区域，通过连续

3、的变化变成负能量。但是在量子物理学中，情况完全不同。量子力学允许不连续的变化，原来的正能量粒子可以转变成负能量。狄拉克方程(1928)结合了量子力学和相对论，相当精确地解释了氢原子的光谱，并且自然地解释了电子的自旋是1/2。另一方面，它有这种负面能量困难。也就是说，狄拉克方程有两个解，正的和负的。正能量解描述了正能量粒子的运动，而负能量解描述了负能量粒子的运动。利用狄拉克方程，我们可以计算出正能量电子跃迁到负能量状态的概率。例如，氢原子中的一个电子将在几秒钟的短时间内转变为负能量状态。因此，所有氢原子中的电子会在瞬间变成负能量电子，这与事实完全不符。因此，在量子物理学中，负能量态的存在造成了严

4、重的困难。如何在粒子世界的半边天消除反粒子负能量的困难？这是一个困扰物理学家的问题。狄拉克在1930年找到了出路。狄拉克并没有回避负能态的存在，而是直接将真空视为所有负能态都被电子填满的状态。根据泡利原理，正能量电子不可能跃迁到负能量状态，这就解释了负能量电子从未出现的事实。然而，如果负能态真的充满了电子，只要有足够的能量转移给这些电子，它们就会跃迁到空的正能态。由于所有负能态都被填满的状态相当于真空，所以负能态电子逃逸留下的空穴相当于正能粒子的出现。除了电荷为正，磁矩与电子相反外，粒子具有与电子相同的质量、自旋和其他性质，可以称为正电子(这里，“正”表示带正电)或反电子(这里，“反”表示电荷

5、和磁矩与电子相反)。当时(1930年)，赵忠尧在研究放射性原子核(ThC，即-2 .61 Mev)被物质吸收的规律时发现了一个新现象。这种现象不能用射线和核外电子之间的相互作用来解释。这似乎是一个射线被原子核吸收的过程，当时称之为反常的原子核吸收现象。值得注意的是，在这个过程中，能量约为0.5兆电子伏的光子将被辐射，并且它是各向同性的(即，在所有方向上的辐射强度相等)。这种辐射被称为赵忠尧特征辐射。1932年，安德森在云雾室研究宇宙射线时拍了一张如图所示的照片。在云室的中间是一块6毫米厚的铅板。当粒子通过铅板时，由于电离碰撞，粒子会失去能量，所以铅板两侧粒子的能量是不同的。云室置于强磁场中，磁

6、场的方向指向图的背面。带电粒子的能量越小，它在磁场中弯曲的越多，曲率也越大。因此，根据铅板两侧粒子的不同轨迹曲率，可以判断粒子的运动方向。根据轨道弯曲的方向，可以判断粒子的电荷。显然，图中显示的是一个带正电的粒子的轨迹。然而，从轨道的厚度和长度来看，它不可能是质子，但应该是电子。这张照片让安德森彻夜未眠，最后得出结论，这是一个正电子。这是人类发现的第一个反粒子。这一发现为安德森赢得了1936年的诺贝尔物理学奖。随着正电子的发现，布莱克特和奥奇亚利尼等人很快就弄清了赵忠尧特征辐射的本质。事实上，根据狄拉克的理论，一个具有足够高能量的光子()可以使一个负能量电子跃迁到正能量状态，在负能量状态留下一

7、个空穴。结果，如图所示，高能量光子被转换成电子和正电子，但是低能量光子不可能被直接转换成一对电子()以同时满足动量和能量守恒定律。这个过程只能在第三方(通常是核心)的参与下进行。在这里，虽然在这个过程之后，原子核X仍然存在，但是它的动量和能量已经改变了，所以在整个过程中，动量和能量可以同时守恒。显然，Y光子似乎被原子核吸收了，这是赵忠尧发现的原子核吸收的异常现象。虽然正电子本身是稳定的，但它不会永远存在于物质中。一般来说，它会与物质中的原子碰撞多次，并逐渐失去能量，成为几乎静止的正电子。因为正电子相当于一个处于负能态的空穴，如果附近有一个正电子，它会跃迁到这个空的负能态。结果，原来的电子消失了

8、，负能态的空穴被填满后变成了真正的空态，正电子也消失了。跃迁过程中释放的能量将被转换成光子。这个过程叫做湮灭。一对正负电子转化为光子不能同时满足动量和能量守恒。通常，它们总是被转换成两个光子，偶尔也会被转换成三个光子。一对几乎静止的正负电子，其总能量为。由于动量守恒，两个光子必须以相同的能量向相反的方向辐射。因此，每个光子的能量都是赵忠尧特征辐射。正电子也将与电子形成一个特殊的“原子”，即通过用正电子取代原子核而形成的“氢原子”，这被称为正电子元素。原子有两种，一种是正电子和电子的自旋平行，另一种是反平行。它们极其不稳定，很快就会消失。不久，人们发现宇宙射线中同时出现了大量的正负电子对。事实上

9、，产生正负电子对的是非常高能的光子，它们与原子核碰撞并辐射高能光子，高能光子又产生正负电子对。如果这种情况持续下去，将会形成大量的正负电子。这种现象被称为淋浴。这张照片是赵忠尧拍摄的淋浴照片。有时，这种阵雨甚至可以覆盖几平方公里的广阔区域，表明宇宙射线中有非常高能量的粒子。放射性的三种基本形式。通常，在天然放射性中只有放射性(发射)，在人工放射性中也可以发现放射性(发射和钾捕获)(原子核从原子核外的钾层轨道上吸收一个电子)。这是放射性的三种基本形式。早在20世纪40年代，就用放射性同位素发射的正电子详细研究了正电子-电子散射规律，这与电子-电子散射不同。1945年11月自然杂志报道了何观察到的

10、这一病例。这张照片是她拍的云室的照片。照片中，碰撞点前后的轨迹以相反的方向和相似的角度弯曲，表明它们是带有相反电荷和相似能量的粒子。在这个散射过程中，正电子的大部分能量都转移到了电子身上，而碰撞后的正电子几乎没有能量。狄拉克的空穴理论意义重大，影响深远。根据狄拉克的理论，不仅电子有反电子，质子和中子也应该有相应的反粒子，即反质子和反中子。他们是在20世纪50年代中期由O . Charnberlain和E. Segre相继发现的，并于1959年获得了诺贝尔物理学奖。事实上，所有粒子都有相应的反粒子。到目前为止，已经发现了200多种粒子，它们都有反粒子(有一些特殊情况，比如光子，它们的反粒子就是它

11、们自己)。因此，反粒子有广泛的含义，它们构成了粒子世界的半边天。反粒子与粒子密切相关。有些性质，反粒子和粒子是完全相同的，例如，它们有严格相等的质量和完全相同的寿命。有些性质，反粒子和粒子正好相反，比如反质子和质子有相反的电荷。尽管中子不带电荷，但它有其内部电磁结构，这与中子相反。因此，中子的磁矩与其自旋方向相反，而反中子的磁矩与其自旋方向相同。反粒子最突出的特征是它们湮灭粒子。衰变的典型过程是：放射性原子核在衰变时会释放出一个粒子(即电子)。实验测量了释放电子的能量，发现它没有确定的值。绘制了氚日衰变释放的电子能量分布图。粒子的能量是不确定的，它们的动能范围从0到18.6kev，但是有更多的

12、母粒子的动能接近2-4kev，但是有一个确定的最大能量(大约18.6kev)，超过这个能量的粒子不存在。这种情况与衰变非常不同，在微观现象中非常特殊。因为在微观世界中，无论是分子、原子还是原子核，每个状态都有一定的能量。至于为什么发射的电子能量是不确定的。这种情况让物理学家非常担心，甚至像玻尔这样的一些著名学者也怀疑能量是否守恒。能量真的不守恒吗？对各种放射性元素辐射的粒子能量的实验测量表明，虽然粒子能量是不确定的，但有一定的最大值。一些放射性元素甚至可以有几种叠加在一起的能谱，但每种能谱都有自己的最大能量。事实上，只要假设衰变实际释放的能量是其能谱的最大能量，能量守恒就可以保持，这与射线的能

13、量测量结果是一致的。然而，每次衰变释放的粒子能量通常小于最大值，那么一些能量在哪里？这是对衰变能量的窃取。Ni65衰变图，事实上，不仅能量被盗，而且角动量也被“盗”。因此，在衰变之前，只有角动量是1/2，而在衰变之后，自旋粒子的总角动量只能是一个整数，如1或0。它不能是半整数。因此，角动量在衰变过程中也是非保守的。腐烂的问题是什么？1931年，泡利想到了一个最自然的方法。他假设在衰变过程中释放出一个自旋为1/2、质量非常小甚至为零的不可探测的中性粒子，这种粒子被称为中微子。因此，衰变过程应该写成：衰变前，只有角动量是1/2，而衰变后，自旋粒子的总角动量只能是一个整数，如1或0。它不能是半整数。

14、因此，角动量在衰变过程中也是非保守的。腐烂的问题是什么？1931年，泡利想到了一个最自然的方法。他假设在衰变过程中释放出一个自旋为1/2、质量非常小(甚至可能为零)的不可探测的中性粒子，这种粒子被称为中微子。因此，衰变过程应该写成中微子盗窃。这里，下标e表示伴有电子e的中微子，加一条水平线表示反粒子，其含义将在后面解释。中微子被绳之以法的假设泡利简单明了，这使得许多实验物理学家想尽一切办法寻找神秘的中微子。中微子不带电荷，很弱，极难测量。发现中微子踪迹的第一个成功方案是由王于1942年设计的，其基本思想是：如果中微子真的存在，那么它们不仅应该有能量e，而且应该有动量p，并且它们应该满足一定的关

15、系(即。如果我们能测量衰变过程中损失的能量和动量，看看它们是否符合中微子能量和动量之间的关系，我们就能为中微子的存在提供一个明确的答案。因为中微子很难直接测量，它们的动量可以通过测量其他衰变子的动量间接获得。然而，衰变后有三个子体，一个是电子，另一个是中微子，另一个是反冲核。动量和能量之间的关系取决于它们的出射方向，这很难测量。幸运的是，有一个类似于衰变的“钾俘获过程”。在这个过程中，放射性原子核并不发射电子，而是从离原子核最近的K层轨道上吸收一个电子，从而产生以下过程。在这里，衰变后只有两个粒子，一个是中微子，另一个是反冲核，它们的动量是完全确定的。如果选择较轻的原子核，反冲动量可以更大，更

16、容易测量。根据这个想法，王建议用做实验。同年，艾伦做了这个实验，初步证实了中微子的存在。然而，由于实验条件不够好，当时无法探测到单能反冲核。直到1952年，当罗德贝克和艾伦极大地改善了实验条件并把它们用于钾捕获实验时，他们才第一次观察到单能反冲核。然后戴维斯(小R .戴维斯)进行了钾俘获实验，并用单能量测量了反冲核。他们证明在这个过程中失去的动量和能量正好满足中微子的要求，并且计算出的中微子质量非常小，接近于零。这是第一批证明中微子存在的实验。图2.9探测中微子的王方案的假设是中微子被绳之以法。然而，这个实验只涉及中微子的发射过程。一个更直接的实验是检测辐射出来源的中微子。这项实验直到1956

17、年才由石昊和张炎完成。这是一个非常困难的实验。实验的困难在于中微子的微弱作用。为了检测粒子，粒子必须在检测器中产生一些可观察到的效应，这意味着粒子必须至少与检测器材料碰撞一次。然而，衰变产生的中微子通常必须穿过大约1000亿个地球，才能与其中一个原子核碰撞一次。即使你做了一个地球大小的探测器，当有1000亿个中微子穿过它时，也只能探测到大约一个中微子。你知道，具有强大穿透力的光子在地球上行走几厘米时会碰撞一次。中微子的穿透能力是可以想象的。Cowin和Rheins使用200升水和370加仑的液体闪烁体来制造探测器，这些探测器被深埋在美国核反应堆附近的地下深处，用来探测核反应堆发出的极强的中微子束(实际上是反中微子束)。成功探测到几个中微子花了相当长的时间。他们的实验如下：当反中微子撞击水中的质子时，会发生以下反应过程，释放的正电子在减速后被电子湮灭，并转化为两个光子。这些光子被同时注入两侧的两个液体闪烁体中，以产生符合信号。符合信号是由两个闪烁体同时记录下一个光子产生的信号。这个信号的出现表明了在水中的