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原子核物理和基本粒子物理的进展

发布日期:2010-10-08 10:10:10 来源:市科协 字体:【    

  在原子核物理学和基本粒子物理学形成的初期,二者是密切联系、交织在一起的。本世纪30-40 年代,它们才逐步发展成彼此独立的学科。40年代中期以来,核物理和粒子物理的研究蓬勃发展,呈现一派繁荣景象。

  (1)原子核物理

  岁月的车轮刚刚驶入当代,人类历史上第一颗原子弹就以其惊天动地的巨响震撼了世界。原子能的释放,是当代原子核物理学第一项重大成就,也是20世纪最伟大的、具有划时代意义的科学成就。这一成就的取得,是建立在30年代中期后对重核裂变研究的基础上的,是在现代发芽生长,在当代开花结果的。

  世界上第一颗氢弹的爆炸成功,是当代核物理取得的第二项重大成就。

  它是在研究氢核聚变的基础上实现的。早在20年代末,人们已认识到,太阳的能量来自其内部氢核的聚变。由于氢核聚变需要10亿度以上的高温,在地球上难以达到这个条件,所以人们考虑用聚变温度相对较低的氘或氚来代替氢。1944年,费米(1901-1954)计算出氘- 氚混合核燃料的聚变点火温度为5000万度。但这样的温度当时也无法达到,而且尚无条件建立生产这两种同位素的工厂。因此制造氢弹似乎还是不可能的。然而,物理学家泰勒(1908 -)和他的小组却坚持进行研究。早在1942年泰勒就已想到,利用原子弹爆炸产生的高温可能引发氢核的聚变。按照这种设想,在原子弹周围包上一层聚变燃料,就可以制成氢弹。但如何使氘和氚保存在裂变弹周围,还没有找到有效方法。加之得不到支持,研究工作受到了阻碍。19498 月,原苏联爆炸了原子弹。美国为了保持核武器的领先地位,加紧了氢弹的研制。到1949年底,泰勒小组完成了氢弹的全部理论研究。19501 月,美国总统杜鲁门下达了制造氢弹的命令。195211月,美国在太平洋的马绍尔群岛比基尼环礁上试爆成功了世界上第一枚氢弹。其爆炸力相当于300 万吨TNT ,把海底炸成一个深500 、直径2000的大坑。仅过了9 个月,原苏联也成功地爆炸了一颗氢弹。热核聚变虽然以氢弹爆炸的形式实现了,但受控核聚变的研究仍是一个长期而艰巨的任务。

  在早期原子核模型和大量实验事实的基础上,原子核模型理论在当代进一步发展,1949年,迈耶夫人和简森各自提出了壳层模型。早在1930年,就有人想到原子核的结构可借鉴原子壳层的结构。因为自然界中存在一系列幻数核,即当质子数或中子数为2 8 20285082及中子数为126 时,原子核特别稳定。人们当时对这些数感到莫名其妙,因此称之为" 幻数".但当时人们从核子的运动求解薛定谔(1887-1961)方程时,得不到与实验相等的幻数。此外,当时液滴模型已取得相当成功,所以人们对壳层模型持否定态度。后来支持幻数核存在的实验事实不断增加,已有的模型无法解释。

  迈耶夫人和简森在势阱中加入了自旋一轨道耦合项,终于成功地解释了幻数,并且计算结果与实验正好相符。壳层模型可以相当好地解释大多数基态的自旋和宇称,对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果,但对电四极矩的预计与实验值相差很大,对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于实验值。

  1953年,N.玻尔(1885-1962)的儿子A .玻尔(1922-)和莫特尔逊提出了集体模型(也称综合模型)。他们指出,不仅要考虑核子的单个运动,也要考虑核子的集体运动。根据这一模型,当核内的质子或中子数等于或接近于" 幻数" 时,壳表现出壳层模型,否则就要象液滴一样活动;当已填满的密封壳层之外的粒子数目达到下一壳层粒子总数的2 3 左右时,核的液滴特 性表现得特别突出。集体模型预言的原子核的电力、磁力等都与实验结果符合很好。

  除壳层模型和集体模型之外,还有人建立了其他一些原子核结构模型。

  所有这些模型都各有千秋,但又都存在缺陷,有待进一步探索。

  (2)基本粒子新发现

  1935年,汤川秀树(1907-)提出介子场理论。1937年,安德逊(1905 -)、尼德迈耶尔(1907-)在宇宙射线中发现了一种新粒子。当时人们认为,它就是汤川理论预言的介子,故称它μ介子。后来发现这种介子与原子核的相互作用很弱,寿命也比预言的长许多倍,不可能是汤川预言的介子。

  1947年,英国的鲍威尔(1903-1969)小组利用他们自己发展的核乳胶技术探测宇宙射线,发现了另外一种粒子,其质量是电子的273 倍,被称作π介子。这才是汤川预言的粒子。而μ介子与核力无关,后来就把它改叫做μ子。

  到1947年时,科学家们已经认识到了14种基本粒子,有光子、轻子(包括正负电子、正负μ子和预言中的中微子、反中微子)、3 种π介子、重子(包括中子、质子和预言中的反中子、反质子)。已发现的基本粒子许多是在解决原子核结构问题时首先在理论上预言尔后在宇宙射线或实验中证实的。这是基本粒子研究的第一阶段。

  1947年,宇宙射线专家、英国的罗彻斯特(1908-)和巴特勒(1922-)

  发现,在宇宙射线的云雾室照片中,有两种呈V 字形的径迹。从能量与动量守恒定律分析判断,这是质量约为电子质量1000倍的两种粒子。这类粒子最初被称为V 粒子,后来又称为⊙粒子,最后称为K 介子。1949年,鲍威尔小组又发现了一个带电粒子分裂成3 个π介子的事例。起初称之为T 粒子,后来命名为K 介子。这些发现使物理学家大感意外,促使他们大力改进实验技术。结果接二连三地发现了另外一些新粒子。这些新粒子可分为两类。一类是K 介子,另一类是超子。超子的质量比质子和中子重。它们是1951年发现的Λ超子、Σ超子和1954年发现的Ξ超子。K 介子和超子都有一些奇特的性质。它们都产生得快(1023秒),衰变得慢(1010秒);在产生过程中是强相互作用起作用,在衰变中是弱相互作用起作用。所以人们把它们统称为奇异粒子。到50年代末,人们认识到的基本粒子已达30种。它们大多数是从宇宙射线中发现的。这是基本粒子研究的第二阶段。

  与此同期,美籍意大利物理学家塞格雷(1905-)等人于1955年发现了反质子。此后又有人发现了反中子。对费米提出的中微子(实际上是反中微子)的验证也取得突破性进展。中国物理学家王淦昌(1907-)对此作出了突出贡献。由于中微子不带电,不参与电磁相互作用和强相互作用,所以很难测到它的踪迹。直到40年代初,还没有任何实验能够验证它的存在。1941年,王淦昌从抗战时期非常困难而又闭塞的中国后方,向《物理评论》寄了一篇" 关于探测中微子的建议" 的论文,明确指出用K 俘获的办法可以较容易地发现中微子。1942年,艾伦按照王淦昌的方案测量了7Li 的反冲能量,取得了肯定的结果,但未能观察到单能的7Li 反冲。直到1952年,罗德拜克和艾伦的37ArK 俘获实验才第一次测出37Cl的单能反冲能。同年,戴维斯测出了7Li 的单能反冲能,与王淦昌的预期结果相符,从而间接验证了中微子的存在。1956年,美国物理学家莱因斯(1918-)和小柯恩(1919-)

  等人利用大型反应堆,直接探测到了铀裂变过程中所产生的反中微子。1968年,人们才探测到了来自太阳的中微子。

  从60年代起,物理学家们又发现了一大批共振态粒子。实际上,50年代末已发现了好几种共振态粒子,但没有引起人们的重视。至60年代人们才对共振态粒子有了新的认识。共振态粒子比其他基本粒子寿命短,以至无法将这种粒子分离出来。目前已发现的共振态粒子有300 多种。它们又被叫做第三代基本粒子。

  (3)基本粒子理论

  随着基本粒子的不断涌现和人们对其性质的深入研究,关于基本粒子的理论也在不断发展。人们渴望在多样性中寻求统一,也希望揭示基本粒子的内部结构和运动规律。因此,基本粒子理论研究主要集中在基本粒子结构和各种粒子相互作用方式的统一性两个方面。

  π介子被发现以后,费米和杨振宁于1949年提出π介子可能是由质子、中子及其反粒子构成的。1953年,美国物理学家霍夫施塔特(1915-)用高能电子轰击质子。从电子散射的情况发现,质子的电荷不是集中于一点。此外,实验中测出中子的磁矩分布也有一定范围。这说明质子和中子是有内部结构的。奇异粒子被发现后,费米与杨振宁模型无法说明奇异数的来源。为此,日本的坂田昌一自觉运用恩格斯的辩证唯物主义思想,提出了强相互作用粒子的复合模型,也叫坂田模型。坂田认为,质子、中子和超子Λ可作为强子(包括介子和重子两大类)的3 种基础粒子,所有强子都是这3 种粒子与它们的反粒子构成的复合体。坂田模型对于基本粒子结构的研究起到了开创性作用。它不仅解释了介子、重子的一些性质,而且还预言了η°\u20171X子的存在。1961年发现的η°\u20171X子与坂田理论非常一致。但坂田模型也存在严重缺陷,还有一些事实无法解释。

  1961年,美国的盖尔曼(1929-)和以色列的奈曼(1925-)提出了以对称性为基础的8 重态模型。它把若干种性质十分相近的粒子看成是同一种粒子的不同态。基本粒子大家族由这样的一些8 重态构成。1964年,盖尔曼又提出了夸克模型。他认为只要用u d s  3 种夸克置换坂田模型中的3 种基础粒子,就可以用夸克、、及其反夸克、、组成所有u d s  u d s 的强子。夸克模型认为,介子由夸克与反夸克组成,重子都由3 个夸克组成。

  这一模型的独到之处在于:夸克的重子数与电荷数都具有分数值,而且每个夸克的质量要比它所组成的强子大得多。夸克模型解释了介子与重子的性质,预言了Ω.   粒子的存在。1964年,Ω.  粒子被发现,其质量和预计的相当。夸克模型很快引起人们重视。

  1966年,以朱洪元和胡宁为首的中国北京基本粒子理论组根据已有的实验和理论,认为对称性的产生与破坏都说明强子内部有某种结构,由此提出了一种强子结构的层子模型。" 层子" 表示它也是物质无限层次中的一个层次。层子模型唯象地引入了强子中的层子波函数,以描述强子的内部结构,并用相对论20 协变方法计算了强子的各种弱作用衰变和电磁作用衰变的衰变率。理论与实际相符合。基本粒子具有内部结构的思想也日益为人们所接受。

  1970年,美国物理学家格拉肖(1932-)等人提出第四种夸克存在的假设,称作粲夸克,1974年,美籍华人丁肇中(1936-)实验小组和美国物理学家里希特(1931-)实验小组分别独立发现了一个大质量、长寿命的窄共振态介子,称为J /ψ粒子。盖尔曼的夸克模型不能解释它的性质,而用粲夸克则可对这种新奇的共振态介子作出解释:J /ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的。后来实验又发现了一些只含一个粲夸克和一个反粲夸克的介子和重子。1977年,费米实验室的莱德曼(1922 -)又发现了一种新的重介子r (宇普西隆)。人们又猜测r可能是由第五种夸克和反夸克组成的。这样就共有u d s c b  5 "" 的夸克。人们又把每种" " 夸克分成红、绿、蓝3 种颜色。" " " " 都是不同量子状态的形象化表示。理论上研究认为,自然界的夸克数应为偶数。人们认为还应存在第六种夸克,并取名为顶夸克(t)。但这还有待于实验证实。

  究竟有多少种夸克.高能物理的理论分析的结论是夸克的" " 不会超过16种。

  由于夸克模型能够成功地解释许多已知事实,所以人们对它非常重视,极力寻求自由夸克。科学家们用海水和陨石作实验,探测宇宙射线,使用各种高能加速器,但这些努力都毫无所获。对此,多数人认为是" 夸克禁闭" 造成的:当夸克之间的距离增大时,其结合力的势能也随之趋向无穷,因此夸克将永远被囚禁在强子之中。但也有少数人认为自由夸克的质量很大(而在强子中束缚状态的夸克质量并不大),现有的高能加速器所提供的能量还不足以产生出自由夸克来。70年代初,在量子规范理论的基础上发展了一种描述强相互作用的新理论——量子色动力学。根据这一理论,存在着与电磁场对应的胶子场。电磁场的作用量子是光子,胶子场的作用量子是胶子。光子和胶子的静止质量都为零,自旋都为h.但光子不带电荷,而胶子则带色荷。有8 种不同色荷的胶子,把夸克牢牢地粘合在一起。人们把看不到带色的自由夸克和胶子叫做色禁闭。按照汤川介子理论和夸克模型理论,强相互作用的传递者是π介子,π介子由夸克和反夸克组成,因此,π介子传递强相互作用的性质,来源于胶子传递强相互作用的性质。19798 月,丁肇中实验小组在西德汉堡正负电子对撞机上发现了三喷注现象。实验值与量子色动力学的理论计算值相符。这间接地证明了胶子的存在。但强子结构理论的研究,仍面临许多重大问题。与此相关,如何理解物质的可分性和物质可分的无限性,也有待人们深入探讨。

  在探索基本粒子结构的同时,对基本粒子相互作用方式的统一性的研究也取得重大进展。在基本粒子世界中,除已知的引力和电磁相互作用外,还存在强相互作用与弱相互作用。强相互作用是汤川秀树在研究核子的结合力时首先明确提出来的。强相互作用的力是短程的,但强度大,大约是电磁作用的100 倍。弱相互作用最初是由费米在β衰变理论中提出来的。弱相互作用的力程极短,其强度只有强相互作用的1013分之一。

  早在40年代,人们就开始探讨弱相互作用与电磁相互作用的统一了。

  1961年,格拉肖提出了一个弱电统一的理论模型,为弱相互作用与电磁相互作用的统一奠定了基础。美国的温伯格(1933-)1967年、巴基斯坦的萨拉姆(1926-)1968年分别提出了弱相互作用与电磁相互作用的规范理论,简称W-S模型。它不仅可以解释已知的弱相互作用与电磁相互作用的基本规律外,还预言了尚未被人所知的传递弱相互作用的粒子——中间玻色子W +、W .   和Z °\u12290X1983年,意大利物理学家鲁比亚领导的小组通过高能质子一反质子对撞机的实验找到了这3 种中间玻色子。实验结果与理论预言基本一致。弱相互作用与电磁作用在理论上已能统一起来,但它所预言的另一个粒子" 黑格斯" 至今尚未找到。近年来,以夸克模型,W-S 模型和量子色动力学为基础的标准模型逐步发展起来,形成一个比较成功的基本粒子物理理论。物理学家正朝一个目标努力,试图把3 种乃至4 种相互作用统一起来,建立大统一理论。1984年,英国伦敦大学的格教授和美国加州大学的斯瓦兹首先提出了超弦理论。1985年,美国另一位物理学家戴维.格劳斯又提出了杂化弦的超弦理论。超弦理论旨在解决引力的量子化和将4 种相互作用统一起来的问题。这是探索大统一理论的最新进展。

  在微观粒子体系中,有一种反映空间的左右对称性的概念,叫做宇称。

  不同种类的基本粒子,或具有偶宇称,或具有奇宇称。1956年以前,多数物理学家都认为,由多个粒子组成的体系,无论在相互作用中发生什么变化,它的总宇称是保持不变的。这就是宇称守恒定律。但在1954-1956 年,人们在实验中发现了质量、寿命和电荷都相同的两种粒子,一个叫θ介子,一个叫τ介子。这两种粒子的唯一区别在于:θ介子衰变为2 个π介子,而T 介子衰变为3 个π介子。3 个π介子的宇称为负,2 个π介子的宇称为正。所以从衰变行为来看,如果宇称守恒,则θ和τ不可能是同一种粒子。但它们的质量、寿命和电荷都相同,又应是同一种粒子。这就是所谓的" θ- τ" 之谜。1956年,在美国工作的物理学家李政道(1926-  )和杨振宁(1922-)

  对当时有关实验资料作了全面考察。他们发现在电磁相互作用和强相互作用中,宇称是守恒的;但在弱相互作用过程中,并没有可靠的实验证据。他们指出:" 目前的θ- τ之谜可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立的一个迹象。" 如果在弱相互作用中,宇称可以不守恒,则θ- τ之谜将迎刃而解。李、杨二人还提出用哪些实验可以检验宇称守恒定律。另一位华裔美籍女物理学家吴健雄(1915-  )率先用60Co实验对宇称守恒定律作了检验,证明了在β衰变过程中宇称确实是不守恒的;θ和τ是同一种粒子也得到了确认(K °\u20171X子)。弱相互作用中宇称不守恒的提出和证实,使人类对基本粒子性质及弱相互作用的规律的认识跃上一个新高度。李政道和杨振宁因这一成就于1957年获得诺贝尔物理学奖。这是华人第一次获诺贝尔奖,而且取得成就后一年就被授奖,在历史上是没有先例的。

  (4)高能实验装置

  用于原子核物理和基本粒子物理研究的高能实验装置之一是粒子加速器。它用人工加速带电粒子,可产生高能量、高强度的粒子束,是人类历史上规模最大、耗资最多的实验装置。最早的加速器是1932年英国物理学家考克饶夫特(1897-1967)和爱尔兰物理学家瓦尔顿(1903-)在卢瑟福实验室建造的倍压加速器。它是一种直线型加速器。由于技术上的困难,直线型加速器长期没什么发展。直到第二次世界大战以后,由于微波技术的发展和稳相原理的提出,直线型加速器才东山再起。1948年,在美国加州大学建成第一台质子直线加速器,能量达32兆电子伏。1966年,美国斯坦福大学建成3050长的电子直线加速器,能量达24京电子伏。

  另一种类型的加速器是回旋加速器。粒子在环形轨道上运动。第一个回旋加速器也是在1932年由美国物理学家劳伦斯(1901-1958)设计制造的。

  1944-1945 年,原苏联物理学家维克斯列尔(1907-1966)和美国物理学家麦克米伦(1907-)分别独立发现了自动稳相原理,设计建造了稳相加速器(即同步回旋加速器)。此外,有人还发展了等时性回旋加速器。1952年,美国建成第一台质子同步加速器。用它所加速的质子,打出了K 、Λ、Σ等奇异粒子。1959年,在日内瓦建成的强聚焦质子同步加速器,能量达28京电子伏。1973年,用它发现了中性弱流,为弱- 电统一理论提供了支持。1960年,布鲁海文实验室建成了33京电子伏的强聚焦质子同步加速器。利用它在1962年发现了中微子V μ,1974年发现了J 粒子。70年代,在美国和日内瓦建成了两座世界上最大的质子同步加速器,最高能量分别达500 京电子伏和400 京电子伏。

  高能实验装置在60年代以后的一个重要进展是建造对撞机。在这之前的加速器只产生一束高能粒子。随着加速器能量的提高,这种加速器存在很大的能量损失。为提高有效作用能量,人们提出建造对撞机。对撞机原理是美国物理学家开尔斯特(1911-)和奥尼耳(1927-)1956年提出的。根据动量和能量守恒定律,粒子碰撞的有效能量(即能引起粒子反应的能量)只取决于粒子的相对速度。对撞的效果对于更高能量和更轻的粒子(如电子)

  更为显著。目前世界上已建造了几十台对撞机。1981年,在日内瓦欧洲核研究中心建成的质子- 质子对撞机,能量达2 ×2 70京电子伏。1983年,在这台对撞机上发现的玻色子W +、W .Z °,成为验证弱- 电统一理论预言的证据。

  中国于19881016建成了第一台高能加速器北京正负电子对撞机,首次对撞成功。19881212,中国最大的重离子加速器在兰州建成。 1989年,在合肥又建成同步辐射加速器。这三项工程的完成,标志中我国的加速器技术已接近国际先进水平。

  目前,欧洲核研究中心正在建造一台大型质子- 质子对撞机,能量为16太电子伏。人们期望能用它产生顶夸克、发现黑格斯粒子等新粒子和新现象。

  半个多世纪以来,加速器的发展异常迅速,粒子的能量提高了6 个数量级(106 电子伏到1012电子伏),成为当代大科学的重要标志之一。粒子加速器为原子核物理和基本粒子物理提供新的实验结果、新的证据和新的课题。基本粒子物理学每一个新理论的提出,都对加速器提出新的更高要求,也提出新的加速原理,推动着加速器的发展。在当代科学中,理论与实验以及技术的相互依存、相互促进的密切关系,由此可见一斑。

  到目前为止,基本粒子物理学还处于积累实验事实,提出假说和创立理论的阶段,有许多未解之谜等待探索。但是,基本粒子物理学已对原子核物理学、天体物理学、凝聚态物理学产生了重要促进作用。粒子加速器产生的粒子束已被用于治疗癌症。粒子加速器在工业辐照和工业探伤等方面的应用已有30多年。高能直线加速器大功率束调管技术的发展,促进了大功率发射管技术的进步,推动了广播通讯事业的发展。由同步辐射加速器发展起来的同步辐射光源,现已进入到第三代,在许多领域,特别是在大规模集成电路光刻和超微细结构的加工方面获得了广泛的应用。

摘自世界全史百卷本第097卷世界当代科学技术史

 

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