文档介绍：物质探微 从电子到夸克邢永忠一点一点地掀开物质世界的神奇面纱第二章 粒子物理学的降生前面所述关于电子、光子、质子、中子的发现史虽然涉及的是人类最早认识的四个基本粒子,但这些研究工作主要还只是为了发展原子物理和原子核物理。正当人们沉醉于似乎已经建成了物质大厦的辉煌成就,沉醉于似乎已经完成了粒子层次基本发现的喜悦中时,20世纪30年代初开始的一系列新粒子的发现为人们展示了粒子层次丰富的物理内容,宣布了粒子物理学的降生。❂有负质量粒子吗?20世纪头四分之一,物理学获得了两大突破。一是相对论的发现,一是量子力学的建立。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。两者沿着各自的道路向前发展,均获得了极其辉煌的成果。如何将它们二者结合起来,是20世纪20年代末期摆在物理学家面前的一个重大课题。在相对论中能量E与动量p之间有平方关系。就是说,对于一定动量的粒子,可以有正、负两个能量值正能范围的最小值为,负能范围的最大值为,中间有一个宽为的空隙。由于能量与质量相联系着(质能方程),负能量意味着负质量。如果一颗子弹是负质量的,它将射向射击者自己,这显然是荒谬的。然而,这种情况在经典物理中并不严重。人们从未见到过负质量物体,未必一定意味着负质量不能存在,而可以只是因为原先存在的物体都是正质量的。在经典物理中,一切运动和变化总是连续的,一个原先为正能量的物体,不可能通过连续变化而越过能隙区变成负能量。但是在量子物理中情况完全不同。量子力学允许有不连续的变化,原来正能量粒子可以跃迁到负能量去。将量子力学与相对论结合起来而建立的狄拉克方程(1928年),一方面相当精确地解释了氢原子光谱,而且自然地解释了电子的自旋为1/2;另一方面,它就存在着这个负能困难。就是说,狄拉克方程有两种解,有正能解,也有负能解。正能解描述正能量粒子的运动,负能解描述负能量粒子的运动利用狄拉克方程可以算出正能量电子跃迁到负能状态去的几率。比如,一个氢原子中的电子大约在秒这样的短暂瞬间内就会跃迁到负能状态。因此,所有氢原子中的电子都会在一瞬间全都变为负能电子,完全不符合事实。由此可见,在量子物理中,负能态的存在引起了严重的困难。❂粒子世界的半边天——反粒子负能困难如何排除?这是颇使物理学家伤脑筋的问题。1930年狄拉克找到了一条出路。狄拉克没有回避负能态的存在,而是直接把真空看做所有负能状态均已被电子填满的状态。根据泡利原理,这时正能电子不可能再跃迁到负能态去,从而解释了未见到过负能电子这一事实。但是,如果负能态上真的填满着电子,只要有足够的能量传递给这些电子,它们就会跃迁到空着的正能态去。既然所有负能态被填满的状态相当于真空,那么负能态上因跑掉一个电子而留着的空穴就相当于出现了一个正能粒子。这个粒子除了电荷为正,磁矩与电子相反以外,质量、自旋以及其他性质均与电子一模一样,可称为正电子(这里“正”是指带正电荷)或反电子(这里“反”是指电荷、磁矩等与电子相反)。就在那个时候(1930年),赵忠尧在研究由放射性原子核(ThC’’,即所放出的高能γ射线(-)被物质吸收的规律时,发现了一种新的现象。这种现象不能用γ射线与核外电子的作用来解释,它似乎是γ射线被原子核所吸收的一种过程,当时叫做反常核吸收现象。值得注意的是,,而且各向同性(即各个方向辐射强度相等)。这种辐射称为赵忠尧特征辐射。1932年,安德森()在用云雾室研究宇宙线时摄得了一张照片如图所示。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离碰撞而损失能量,因而粒子在铅板两侧的能量是不同的。此云雾室放在强磁场中,磁场方向指向图的背面。一个带电粒子的能量愈小,它在磁场中就弯曲得愈甚,曲率就愈大。从而,根据铅板两侧粒子径迹曲率的不同,可以判断粒子的运动方向。再根据径迹弯曲的方向,可以判断粒子的电荷。显然,图中所示是一个带正电粒子的径迹。但是,从径迹的粗细和长度来看,它不可能是质子,却应是电子。这张照片使安德森一夜