Science 版 (精华区)

发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 基本粒子的新发现(1)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:25:42 2000), 转信



    物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。在本世纪30年代以前，古典物理学
一直认为：原子是组成物质的最小颗粒。1932年，科学家经过研究证实：原子是由电
子、中子和质子组成的。以后，科学家们把比原子核次一级的小粒子，如质子、中子
等看作是物质微观结构的第三个层次，统称为基本粒子。1964年，美国物理学家马雷
·盖尔曼大胆地提出新理论：质子和中子并非是最基本的颗粒，它们是由一种更微小
的东西——夸克构成的。为了寻找夸克，全世界优秀的物理学家奋斗了20年，终于获
得成功。
    介子与核力
    30年代初，虽然科学家已经知道原子核是由质子和中子组成的，但是，却无法解
释其中的一些问题。比如：质子都具有正电荷，而正电荷是互相排斥的，它们靠得越
近，彼此间互相排斥的力量就越强。在原子核内部，几个、几十个质子紧紧地挤在一
起，排斥力极强，但是，原子核并没有因此而分崩离析，这是为什么呢?
    日本科学家汤川秀树对这个问题考虑了很久，他认为：一定是存在着某种特殊的
拉力，使那些质子维系在一起。这种拉力必定很强，它能够克服把质子互相推开的“
电磁力”。他又发现：当质子位于原子核外时，它们互相排斥，丝毫没有任何吸引的
迹象。也就是说，这种力非常特别，它仅在非常短的距离上起作用。汤川秀树把这种
只在原子核内才能觉察到、但又极强的吸引力称为“核力”。
    1934年，汤川秀树发表了基本粒子相互作用的论文，预言用β粒子轰击某种原子
核能产生一种新的粒子，并推测它的质量介于电子和质子之间，称作“介子”。
    第二年，汤川秀树在对核力进行了深入的研究后宣称：这种核力可能是由原子核
内的质子和中子不断交换介子而产生的，质子和中子在来回抛掷介子，当它们近得能
抛掷和接住这些介子的时候，它们就能牢牢地维系在一起，一旦中子和质子离得较远，
那些介子不再能抵达对方时，核力也就失效了。
    汤川秀树的理论很好地解释了核力，但是，这种介子是否存在呢？当时谁也说不
清楚，如果这种介子根本不存在，那么，汤川秀树的理论也就不成立。
    刚巧，就在汤川秀树宣布他的理论的时候，在科罗拉多州高高的派克斯峰上研究
宇宙线的美国物理学家安德逊，却为汤川秀树的理论提供了证据。安德逊用宇宙线粒
子击中空气中的原子，将击出的粒子引入充满湿空气的云室，然后，用照相机拍摄下
粒子的径迹进行研究。一天，安德逊从他所拍摄的数以千计的照片中，发现了一些特
殊的径迹，其弯曲的方式表明它们比电子重，但又比质子轻。这种现象随后引起了许
多科学家的兴趣，经过认真研究，便有人于1936年首先宣布已经发现了汤川秀树所说
的介子。
    但是，好事多磨，以后的研究表明，这种介子比汤川秀树所预言的那种粒子稍微
轻了一点儿，在其他方面也与汤川秀树所说的粒子毫不相干。这种较轻的介子被称为
“μ介子”(μ子)。
    虽然不是汤川秀树所说的那种介子，但毕竟发现了新的粒子。科学家们欢欣鼓舞，
继续寻找着证据。1947年，英国物理学家鲍威尔在玻利维亚安第斯山上研究着宇宙线。
他没有使用云室，而是用一些特殊的照相药品。当亚原子粒子击中它们时，这些物质
就会变暗。
    鲍威尔在研究粒子的径迹时，也发现了一种介子，这种介子比早先发现的那种μ
介子重，称为“π介子”(π子)，它恰恰具备汤川秀树预言的那种粒子的性质。
    这些新的μ子、π子是非常不稳定的粒子，它们形成之后存在不了多长时间，π
子大约只能存在一亿分之二点五秒，然后便分裂成较轻的μ子。当它形成时，通常总
是以每秒成千上万公里的惊人速度飞驰着，即使在十亿分之一秒钟之内，它也已经飞
行了若干厘米，于是，便留下了一条径迹，这种径迹到了末端便变成另一种形式，表
明π子已经消失，而由μ子取而代之。μ子持续的时间相对来讲却要长得多，它可持
续百万分之几秒钟，然后，分裂而形成电子。电子是稳定的，如果没有外界的影响，
它就会永恒不变地存在下去。
    到40年代末，人们设想的原子核图景似乎已经非常完美，它含有质子和中子，它
们由来回飞闪的π子维系在一起，化学家们则弄清了每一种不同原子的质子数和中子
数。
    有“正”就有“反”
    30年代初，英国物理学家狄拉克认为：每一种粒子都应该有一个与之相反的伙伴，
称为“反粒子”。按照他的理论，有一个电子就应该有一个“反电子”，“反电子”
的质量应该恰恰等于电子的质量，其电荷则正好相反，也就是说，它的电荷不是-1，
而是+1。
    1932年，安德逊在研究宇宙线时，注意到在一张云室照片上有一条径迹，虽然他
很容易地认出这是由电子所产生的，但有一件事甚为蹊跷，那就是其弯曲方向错了！
这意味着它不是带负电荷，而是带正电荷，这正是狄拉克所说的“反电子”。
    “反电子”的存在，对狄拉克的理论十分有利。随着时间的流逝，人们发现的反
粒子也越来越多。例如，通常的μ子像电子一样，其电荷为-1，人们常称其为负μ子。
反μ子除了像正电子一样，具有+1的电荷以外，其他一切方面都恰与μ子相同，所以，
人们把它称作正μ子。通常的π子是电荷为+1的正π子，反π子则是电荷为-1的负π
子。
    到40年代末期，看来完全有理由假定，既存在着正常的原子核，它由质子和中子
组成，且有正π子在其间往返飞驰，也存在着反原子核，它由反质子和反中子组成，
在其间往返不已的则是反π子。
    但是，探测反质子甚至比探测π子更困难，反质子的质量与质子相同，这意味着
它的质量为π子的质量的7倍，产生一个反质子所需集中的能量也将7倍于产生一个π
子所需的能量。产生一个π子所需的能量是若干亿电子伏，产生一个反质子就需几十
亿电子伏的能量了。
    为了更好地观察这些高能粒子，1954年 3月，在美国加利福尼亚大学建成了一座
产生高能粒子的装置。科学家西格雷和张伯仑用它来加速质子，使质子的能量达到60
亿电子伏，然后，让它猛然撞到一块铜片上，结果，他们发现产生了介子，相应于每
一个可能的反质子就伴有数以千计的介子，不过，介子要比反质子轻得多，运动速度
也比反质子快。西格雷小组安装的检测设备能以适当的方式作出反应，从而拣出慢速
运动的带负电荷的重粒子。当这种检测装置反应正常时，只有恰恰具备反质子的预期
特征的东西才能触发它。到1955年10月，这种检测装置已经触发了60次，这不可能是
偶然的事情，所以，反质子必定存在，他们宣布了这一发现。
    存在着反质子和反中子，但是，它们能结合起来形成一个反核呢？物理学家们认
为是能够的，但一直到1965年才找到最终答案。那一年，美国布鲁海文国立实验室的
科学家们，用具有70亿电子伏能量的质子轰击铍靶，结果发生了数起反质子与反中子
相接触的事件，它们都被检测到了。
    
--
                      ===============CRAZY================
                      =                                  =
                      =   e_mail:hitclub@0451.com        =               
                      =                                  =
                      =        文武之道 一张一弛         =                          
                      ====================================

※ 来源:．紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.243.5]