§1.3 基本粒子

至20世纪 30年代,人们认识到质子、中子和电子是所有物质结构的基本单元, 加上传递电磁相互作用的光子以及1932年发现的正电子,它们就是当时所认为的构成自然界万物的基本粒子. 这样, 人类对物质结构的认识进入基本粒子的层次,开创了基本粒子物理学这一新学科.

光子概念的提出也经历了一段有趣的过程. 1905年, 爱因斯坦 (A. Einstein) (见图1.12) 提出, 光波不是连续的, 而是具有粒子性, 并称这种粒子为光量子. 这一革命性的光量子概念使爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖. 1923年,康普顿(A. H. Compton) (见图1.13)成功地用光量子概念解释了X射线被物质散射时波长变化的康普顿效应,从而光量子概念被广泛接受和应用, 并于 1926年正式被命名为光子.光子具有波粒二象性.

图1.12 爱因斯坦

图1.13 康普顿

1905年, 爱因斯坦在26岁的时候发表了 3篇具有里程碑意义的科学论文. 这 3 篇论文发表在1905年德国科学期刊《物理年鉴》(Annalen der Physik)的同一卷上. 关于光量子的文章是第1篇,第2篇论文解释了布朗运动,第3篇论文提出了狭义相对论, 推翻了既有的时空概念. 1915年, 他又提出了广义相对论,建立了突破牛顿引力理论的引力方程,预言了引力波的存在. 这些伟大成就影响了 20—21世纪科学技术的发展.爱因斯坦堪称20世纪最伟大的科学家.

1922年,康普顿等通过X射线的散射实验,发现了用经典理论无法解释的实验结果. 他指出: 散射应遵从能量守恒和动量守恒定律, 出射 X 射线波长变长证明 X 射线光子带有量子化动量．他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论,对这个效应做出了满意的解释. 康普顿效应进一步证实了爱因斯坦的光子理论, 揭示出光的波粒二象性, 阐明了电磁辐射与物质相互作用的基本规律．康普顿因此获得了 1927年诺贝尔物理学奖. 中国物理学家吴有训 (见图1.14) 在康普顿实验室做了大量实验,对康普顿效应做出了宝贵的贡献.

量子力学成功地解释了原子、分子内微观粒子运动以及光的吸收和辐射等现象,但它不能用来描述与高速运动微观粒子相关的物理现象. 1928年, 狄拉克 (P. A. M. Dirac) (见图1.15) 创立了相对论量子力学——狄拉克方程. 但人们发现此方程有负能解, 很难从物理上来解释. 因为如果此负能解存在, 那么意味着自然界没有稳定的最低能态. 为了克服狄拉克方程的负能解的困难,次年狄拉克提出了空穴理论.这一理论假定, 物理的真空态中, 所有的负能级都被电子占满,或者形象地说自然界被这些“电子海”包围.由于泡利不相容原理, 海中不能再容纳新的电子, 从而保证了正能物理态的稳定. 当负能海中的一个电子被激发到正能级时, 在海中就留下了一个空穴.这个空穴,对于观测者来说,与电子有相同的质量,但却有正能量、正电荷,因而代表了电子的反粒子——正电子. 这样, 空穴理论不仅预言了正电子的存在,还能自然地解释正负电子对的产生和湮灭. 一般地讲, 相对论性量子力学预言所有自旋为 1/2 的粒子, 如电子、质子、中子等都有质量和它们相同的反粒子. 1932年, 安德森 (C. D. Anderson) (见图1.16)在利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时,发现了第一个反粒子——正电子(电子的反粒子), 并以此成果于 1936年获得了诺贝尔物理学奖. 正电子是第一个被发现的反粒子. 20世纪50年代中期以后, 人们陆续发现了其他粒子的反粒子.

图1.14 吴有训

图1.15 狄拉克

图1.16 安德森

其实,我国核物理学家赵忠尧(见图1.17)应该是第一个发现正电子的人. 1927年, 赵忠尧在美国加州理工学院师从密立根教授,从事“硬 γ射线通过物质时的吸收系数”测量. 1930年,他最先测量到γ射线通过重物质时发生的反常吸收和特殊辐射,并且测出这种特殊辐射的能量为0.5 MeV,大约等于电子的质量, 这正是正电子存在的迹象. 安德森后来也承认他发现正电子的实验是受到了赵忠尧实验结果的启发.

1930—1931年,泡利(W. E. Pauli) (见图1.18)提出了中微子存在的猜想. 20世纪初, 人们已经观测到许多放射性核素都会发射出电子, 并将这种方式发射出来的电子命名为 β粒子, 相应的过程称为原子核 β 衰变. 如果是末态只有衰变后的原子核加电子的两体衰变过程,按能量守恒,电子应具有确定的能量值. 1914年,查德威克发现在β衰变中放射出来的电子不具有确定的能量值, 这意味着电子丢失了能量. 丢失的能量到哪里去了? 这表明在β衰变中存在“能量危机”.经过多次测量衰变产生的电子的能量, 人们发现它在一定的范围内有一个能谱分布,这个分布的最大值正等同于衰变后的原子核的能量. 因此核物理学家面临是否应放弃自然界能量守恒定律的疑难. 当时, 对于这一疑难科学家们有两种态度: 一种是放弃能量守恒定律, 另一种是相信能量守恒定律. 1930年 12月 4日,泡利给当时正在德国图宾根参加放射性会议的科学家们写了一封信,信中提出了他的猜想:β衰变中能量可能被一种看不见的中微子带走了. 这挽救了能量守恒的危机. 他写信的目的是告诉参会的科学家们, 他因参加了一个通宵舞会而不能前去参加会议. 1931年 6月, 泡利在美国加州召开的美国物理学会年会上公开表达了他的观点: 在原子核β衰变中能量还是守恒的,只不过放射出来的除了电子,还伴随有一个看不见的粒子,它不带电荷、质量微小,很难与别的物质发生相互作用, 却带走了部分能量. 只要假定中微子存在, 这里对能量守恒定律的疑难就会迎刃而解. 当时,泡利将这种粒子命名为“中子” (neutron). 1932年,如今所说的中子被发现后, 费米 (E. Fermi) 将泡利的“中子”更名为“中微子” (neutrino). 1933年, 泡利在著名的物理大师齐集的索尔维会议上再次提出了中微子假说, 并为物理学大师们接受. 可是中微子不带电荷, 与其他物质的相互作用截面太小,几乎可以不受阻碍地穿过整个地球,太难以测量,因此被称为幽灵粒子. 此后科学家们为了证实这种想法, 努力寻找中微子. 直至1956年,莱因斯(F. Reines)和考恩(C. L. Cowan)才用核反应堆发出的反中微子与质子碰撞,在实验上直接证实了电子中微子的存在.

图1.17 赵忠尧

图1.18 泡利

电子、质子、中子、光子、猜想的中微子是 20世纪30年代物质结构的最基本单元，从而形成了物质结构的新层次——基本粒子. 1927年,历史上著名的第五届索尔维会议的主题就是“电子和光子”. 这次会议非同寻常,它集中了开创现代物理学和化学的很多位伟大科学家, 其中有前面各节提到的对粒子物理学做出重要贡献, 特别是创立了量子力学和相对论两大基石的大师们(见图1.19). 玻尔和爱因斯坦关于量子力学的著名争论也发生在此次会议上.

从 1897年发现电子至20世纪30年代, 人类对物质结构最小单元的探索从最早的原子, 到原子核, 再逐步深入到基本粒子层次, 形成了基本粒子概念, 这是粒子物理学发展的第一阶段.

图1.19 前排左起: 朗缪尔 (I. Langmuir)、普朗克、居里夫人 (Mrs Curie)、洛伦兹 (H. A. Lorentz)、爱因斯坦、朗之万 (P. Langevin)、居伊 (Ch. E. Guye)、威尔逊 (C. T. R. Wilson)、理查森 (O. W. Richardson);中排左起: 德拜(P. Debye)、克努森(M. Knudsen)、布拉格 (W. L. Bragg)、克拉默斯 (H. A. Kramers)、狄拉克、康普顿、德布罗意(L. V. de Broglie)、玻恩(M. Born)、玻尔;后排左起: 皮卡德(A. Picard)、亨里厄特(E. Henriot)、埃伦费斯特(P. Ehrenfest)、赫森 (Ed. Hersen)、德唐德 (Th. De Donder)、薛定谔、费斯哈费尔特(E. Verschaffelt)、泡利、海森堡、福勒(R. H. Fowler)、布里渊(L. Brillouin)