基本粒子的發(fā)展(論文)

1、論文題目：基本粒子的發(fā)展論文題目：基本粒子的發(fā)展研究生學(xué)位課程論文學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考基本粒子的發(fā)展摘要：本文通過對電子、光子、質(zhì)子、中子、正電子、中微子的發(fā)現(xiàn)和強(qiáng)子夸克模型的介紹，闡述了粒子物理的一些基本知識。關(guān)鍵詞：基本粒子、電子、中微子、夸克引言：不久前剛選完導(dǎo)師，我的導(dǎo)師是高策教授。第一次見面，高老師詢問了我的專業(yè)背景和興趣后，給了我一些指導(dǎo)，希望我了解一下弦論和場論方面的相關(guān)理論。于是，自己接觸到了一些以前沒有關(guān)注過的知識粒子物理學(xué)。剛好正值期末，自然辯證法要交期末論文，題目自擬，所以想總結(jié)一下基本粒子的發(fā)展。這樣既可以完成學(xué)科作業(yè)，又能把近來看過的東西做一個(gè)簡單總結(jié)，同

2、時(shí)自己還抱著寫一篇通俗的粒子物理方面的科普文章，希望能有一箭三雕之成效，但愿自己已經(jīng)做到了。揭露萬物之本和世界之源是人類一直向往的研究目標(biāo)。早在公元前4世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特(Democritus)和留基伯(Leucippus)就提出物質(zhì)由不可分的微小的基本粒子組成，及原子論。兩千多年來，人類對世界本原的探索研究說明，物質(zhì)世界確實(shí)有其深層次的構(gòu)造，但又遠(yuǎn)非兩位先哲所想的那樣簡單?！盎玖Ｗ印卑雌湓馐菢?gòu)成世界萬物的不能再分割的最小單元。這其實(shí)只是一種歷史概念，隨著人類認(rèn)識的不斷深化，這種概念本身也在不斷演變。最初，留基伯和德謨克利特提出的原子就是指構(gòu)成世界萬物的終極單元。但時(shí)至今日，已經(jīng)

3、沒有人認(rèn)為原子不能再分割了?！白钚卧边@個(gè)概念一次又一次地被迫轉(zhuǎn)移到下一層次，于是“基本粒子”一詞也就應(yīng)運(yùn)而生了。當(dāng)然本文所用“基本粒子”一詞并非說它永遠(yuǎn)不能再分割，而是說直到當(dāng)時(shí)還未進(jìn)一步被分割的物質(zhì)單元，盡管已有種種跡象說明它仍然有其更深的結(jié)構(gòu)。為了表達(dá)方便，本文有時(shí)把“基本粒子”簡稱為“粒子”。接下來，我就從人類認(rèn)識粒子的順序來大致介紹人類對世界認(rèn)識的不斷深入。一、人類認(rèn)識的第一個(gè)基本粒子：電子1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類認(rèn)識的第一個(gè)基本粒子，他因此而獲得了1906年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。湯姆遜是在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)電子的。著名的湯姆遜實(shí)驗(yàn)原理大致如圖1：圖中F為真空管，A為陰極，

4、B為陽極即A、B間加了一個(gè)電場B上有一小孔，陰極射線射出后，經(jīng)電場加速，射向陽極B,通過B上的小孔飛向熒光屏E,在其上大出亮點(diǎn)。試驗(yàn)中，可在C、D間加上電場或者磁場，使電子獲得不同的偏轉(zhuǎn)。在這樣的場景下，通過一些簡單的電學(xué)磁學(xué)計(jì)算，就可以得出了陰極射線里所包含的粒子的電荷量e和質(zhì)量m分別為：e=1.602x1019庫侖m=9.109x10-28克e并且該粒子帶電為負(fù)，這就是電子了。二、人類認(rèn)識的第二個(gè)基本粒子：光子人類對光的人是經(jīng)歷了漫長的歲月。大約在三百年前，牛頓(IsaacNewton,16421727),根據(jù)光的直線傳播特性推斷光是由高速運(yùn)行的微粒組成的，這就是著名的微粒說。隨后，惠更斯

5、(ChristiaanHuygens,16291695)又提出了與牛頓的觀點(diǎn)對立的波動(dòng)說，他認(rèn)為光是一種波動(dòng)。這兩種學(xué)說爭論了一百多年，直到1801年，英國的托馬斯楊ThomasYoung,17731829觀察了光的雙縫干預(yù)現(xiàn)象。1818年，法國的菲涅耳Fresnel,17881827又進(jìn)而觀察到了光的衍射現(xiàn)象。按照波動(dòng)說，光線應(yīng)當(dāng)會呈現(xiàn)干預(yù)和衍射現(xiàn)象；但是按微粒說，則不會有這些現(xiàn)象。于是，暫時(shí)性地宣告了波動(dòng)說的勝利，微粒說的失敗。隨著電子的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，即：當(dāng)用紫外線照射金屬時(shí)，金屬外表會飛出一些電子。對飛出的電子的能量E進(jìn)行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)紫外線的強(qiáng)度不會改變e飛出的電子的能

6、量；而增大紫外線的頻率卻可以明顯增大電子的能量。這個(gè)現(xiàn)象用波動(dòng)說是無法解釋合理的。1905年，愛因斯坦(AlbertEinstein,18791955)提出了光量子概念，認(rèn)為光是由微粒組成，每個(gè)光子的能量為E=ho1其中o為光的頻率，h為普朗克常數(shù)，h=2兀力h=2兀方=1.05x10-34焦耳秒他認(rèn)為光電效應(yīng)是金屬內(nèi)一個(gè)電子吸收一個(gè)光子后飛離金屬外表的過程。這個(gè)觀點(diǎn)簡潔完滿地解釋了波動(dòng)說無法說明的事實(shí)：影響飛出的電子的能量的是照射光的頻率，而非強(qiáng)度。光電效應(yīng)清晰地顯示了光的粒子性。光子作為一種粒子，它不僅具有能量，而且還具有確定的動(dòng)量。愛因斯坦根據(jù)相對論的要求，證明了光子的動(dòng)量p和波長九有2

7、如下關(guān)系p=r作為矢量的動(dòng)量，其方向指向光傳播的方向。一個(gè)光子與電子相撞，碰撞之后，電子獲得能量，飛出金屬外表。光作為一種粒子，成為人類認(rèn)識的第二個(gè)基本粒子。愛因斯坦就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)定律而獲得1921年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)。光子概念的提出，并不意味著牛頓微粒說的簡單復(fù)活，也不意味著惠更斯波動(dòng)說的徹底失敗。由1和2兩式可以看出，光子實(shí)際上是粒子和波動(dòng)兩種概念相結(jié)合的產(chǎn)物，即代表粒子特性的能量E和動(dòng)量p卻由代表波動(dòng)性的頻率u和波長九決定。也就是說光子既有波動(dòng)性也有粒子性，既具有波粒二象性。三、人類認(rèn)識的第三、第四個(gè)基本粒子：質(zhì)子和中子為了弄清楚原子的具體結(jié)構(gòu)，1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福(Ern

8、estRutherford,18711937)等人用a射線粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了原子核但是原子核并不是基本微粒，并確立了比較合理的原子模型：原子是由居于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成，原子的極大部分質(zhì)量聚集都集中在體積極小的原子核上，原子核帶有和電子等量的正電荷，原子的大部分體積是空的，質(zhì)量極小的電子繞原子核運(yùn)行。1919年，盧瑟福用a粒子轟擊氮原子核，使它變成了氧原子核，同時(shí)放出了一個(gè)氫原子核來，即發(fā)生了核反應(yīng)：14N+4HeT17O+1H37281早在1816年，英國物理學(xué)家普勞特(WilliamProut,17851850)注意到了很多元素的原子量是氫原子量的整數(shù)倍，據(jù)此，普

9、勞特提出了一個(gè)假說，認(rèn)為所有的元素都是由氫原子組成的，氫是所有元素的“根本元素”。精確測量告訴我們：氫核質(zhì)量是電子的1836.1526675倍；帶有+1元電荷約1.60 x10一19C，量值與電子電荷絕對值相同；是穩(wěn)定粒子，平均壽命大于1032年。這樣的話，只要原子核包含有與核外電子數(shù)相等的氫核，整個(gè)原子就會呈電中性。因此，一般原子核并不是基本粒子，只有氫核質(zhì)子，才是基本粒子，它就是人類認(rèn)識的第二個(gè)基本粒子。但奇怪的是，絕大多數(shù)原子的質(zhì)量數(shù)A并不等于質(zhì)子數(shù)乙前者往往是后者的兩倍還要多。一種自然的想法就是，原子核內(nèi)除了質(zhì)子以外還應(yīng)該有另外一種粒子，其質(zhì)量與質(zhì)子相等，并且呈電中性，盧瑟福把這種粒子

10、叫做中子，不過他只是簡單的認(rèn)為這種中性粒子是質(zhì)子與電子的結(jié)合體。1930年，波特和貝克爾用a粒子轟擊鈹原子核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一種穿透能力十分驚人的射線。但是人們只認(rèn)識三種射線，即a、卩、丫，其中Y射線的穿透能力最強(qiáng)，于是人們誤認(rèn)為這種“鈹射線”是Y射線。兩年后，約里奧居里夫婦有用這種“鈹射線”來轟擊石蠟，如圖2a垃子圖2中子發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理圖結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種射線從石蠟里打出了不少質(zhì)子。這種行為完全不像Y射線，因?yàn)閅射線只是一種電磁波，其能量根本不足以將質(zhì)子打出來。在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作的查德威克JamesChadwick，18911974，得知該消息后，立刻想到這種鈹射線可能就是盧瑟福所說的中子。因?yàn)橹凶?/p>

11、的質(zhì)量與質(zhì)子相近，一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的中子撞擊質(zhì)子，完全可能把質(zhì)子撞出原子核；中子又不帶電，因此可以具學(xué)習(xí)文檔僅供參考學(xué)習(xí)文檔僅供參考有很強(qiáng)的穿透能力。于是查德威克投入了緊張的研究，設(shè)法測出了中子的質(zhì)量，結(jié)果說1明其質(zhì)量與質(zhì)子十分相近。實(shí)驗(yàn)還說明，中子和質(zhì)子、電子一樣，自旋也是-。由量子21力學(xué)理論可知，兩個(gè)自旋-的粒子的自旋耦合結(jié)果為0或1,所以自旋-的中子不可能2是質(zhì)子與電子的結(jié)合體，它只能是另一種基本粒子。到此為止，人類已經(jīng)認(rèn)識了四種基本粒子。四、人類認(rèn)識的第一個(gè)反粒子：正電子上世紀(jì)初，在相對論力學(xué)的原則下曾得出一個(gè)結(jié)論，一個(gè)微觀粒子的總能量E可以按下面公式計(jì)算:E2二c2p2+m2c4式中c

12、是真空中的光速,式兩邊開平方就行：2+m2c4p是運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量。要計(jì)算物體的總能量，顯然只要對上這樣，總能量有兩個(gè)解。正的解即通常所指的粒子總能，這容易理解。但帶負(fù)號的總能量，這好似不太好理解，怎么會有負(fù)的能量呢？當(dāng)提出這個(gè)方程負(fù)能量解的時(shí)候，不少人認(rèn)為這是荒唐透頂?shù)?，不少人曾想盡方法用數(shù)學(xué)企圖擺脫這個(gè)方程負(fù)的解，千方百計(jì)不讓它出現(xiàn)。然而這時(shí)英國有一個(gè)年輕人叫狄拉克（Dirac，當(dāng)時(shí)才27歲，他認(rèn)為負(fù)能量可能是一種真實(shí)的粒子以不尋常的狀態(tài)存在著；他認(rèn)為微觀粒子中，分子、原子、質(zhì)子、電子都具有波粒二重性，對這些粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律描寫既然要用量子力學(xué)和相對論原理處理，我們就不必為出現(xiàn)暫時(shí)不理解而在數(shù)

13、學(xué)上又是正確的新問題而感到不安。圖3正電子的發(fā)現(xiàn)安德森，19321932年，安德森CarlDavidAnderson,19051991在用云霧室研究宇宙射線時(shí)，拍攝到一張照片，如圖3所示。云霧室的中部是一塊6毫米厚的鉛板。粒子穿過鉛板時(shí)會因?yàn)殡娏ε鲎捕鴵p失能量，因而粒子在鉛板兩側(cè)的能量是不同的。此云霧室放在磁場方向指向直面內(nèi)部的磁場中，從而可以根據(jù)粒子軌跡的曲率判斷粒子的運(yùn)動(dòng)方向和電荷。顯然，圖中所示是一個(gè)帶正電粒子的軌跡。但是從軌跡的粗細(xì)、長度和曲率來看，它不可能是質(zhì)子，卻應(yīng)是電子。最終安德森斷定它是一個(gè)帶正電的電子，這正是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子。這一發(fā)現(xiàn)使得安德森獲得了1936年度的諾貝爾

14、物理獎(jiǎng)。五、中微子的發(fā)現(xiàn)：B衰變能量失竊案B衰變是核反應(yīng)的一種，其過程為放射性元素AX衰變?yōu)樵有驍?shù)增加1的AY,TOC o 1-5 h zZZ+1同時(shí)放出一個(gè)B粒子即電子e-，外表看起來似乎是一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子同時(shí)放出一個(gè)電子，即：aX+TaY2+e-6ZZ+1微觀世界中，無論分子、原子還是原子核，個(gè)個(gè)狀態(tài)都有確定的能量。比方：3H和3He12的基態(tài)的能量確定。氚3H的B衰變正是3H衰變?yōu)?He,同時(shí)放出一個(gè)電子的過程。3H1121和3He的能量確定，它們之間的能量差自然也是確定的，由能量守恒推想放出的電子的2能量應(yīng)該等于它們之間的能量差。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻說明，放出的電子的能量是不確定的，只

15、有少數(shù)電子的能量接近3H和3He之間的能量差，絕大部分放出的電子的能量都小于12它們之間的能量差。這就是說，在B衰變的過程中，有一部分能量失竊了。B衰變的問題究竟在哪里？1931年泡利設(shè)想了一個(gè)很自然的方法,他認(rèn)為B衰變的過程中還放出了一個(gè)難以探測到的中性粒子，其自旋為1，而且質(zhì)量及其小，稱為中微2子記為u。因此，B衰變過程應(yīng)但表示為：aX+TaY2+e-+UZZ+1e這里，下標(biāo)e表示u是與電子e相伴的中微子，上加一橫線表示反粒子。于是不少實(shí)驗(yàn)e物理學(xué)家開始千方百計(jì)地尋找這個(gè)神秘的中微子。尋找中微子蹤跡的第一個(gè)成功方案是王淦昌在1942年設(shè)計(jì)，并由阿倫J.S.Allen實(shí)驗(yàn)，終于證實(shí)了中微子的

16、存在。1952年，勞德拜克GW.Rodeback和阿倫在大大改良實(shí)驗(yàn)條件后，證明了中微子正好符合B衰變過程中喪失的動(dòng)量和能量。直到1956年萊茵斯和柯溫C.L.Cowan才完成了一個(gè)更為直接的實(shí)驗(yàn)，對已被放射出來的脫離了源的中微子進(jìn)行探測。因?yàn)橹形⒆拥淖饔脴O為微弱，所以中微子的發(fā)現(xiàn)也極為困難，但是，知道1995年萊茵斯才為此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。六、對基本粒子更深層次的探索上世紀(jì)三十年代發(fā)現(xiàn)了正電子、口介子，進(jìn)入四十年代又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了n介子和某些奇異粒子，如Ko和Ao等，進(jìn)入五十年代，由于高能加速器建造，發(fā)現(xiàn)了好幾十種基本粒子。最近幾年來，差不多每年都有一些新的粒子或某基本粒子的共振態(tài)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，到目前

17、為止它們的總數(shù)已達(dá)二百左右。面對著這么多的基本粒子，為了便于研究，我們按參加相互作用的強(qiáng)弱可以將基本粒子分為強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類。強(qiáng)子就是所有參與強(qiáng)力作用的粒子，現(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子，質(zhì)子、中子、n介子等都屬于強(qiáng)子。輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子，共有六種，包括電子、電子中微子、口子、口子中微子、t子、t子中微子。電子、口子和T子是帶電的，所有的中微子都不帶電；T子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子，不參與強(qiáng)作用，屬于輕子，但是它的質(zhì)量很重，是電子的3600倍，質(zhì)子的1.8倍，因此又叫重輕子。傳播子也屬于基本粒子。傳遞強(qiáng)作用的膠子共有8種，1979年在三噴注現(xiàn)象

18、中被間接發(fā)現(xiàn)，它們可以組成膠子球，但至今尚未被直接觀測到。傳遞弱作用的W+,W-和Zo。中間玻色子是1983年發(fā)現(xiàn)的，非常重，是質(zhì)子的8090倍。從現(xiàn)代許多實(shí)驗(yàn)中都證實(shí)質(zhì)子的電荷非均勻性。質(zhì)子不能看作一個(gè)幾何上的點(diǎn)，在質(zhì)子的有限大小里，電荷從其幾何中心到邊緣有一定特定的電荷分布。有的人認(rèn)為質(zhì)子的核心是由許多n介子組成；也有人認(rèn)為中子內(nèi)部靠中心處有一個(gè)結(jié)合得很緊的正電荷殼層，外面則是十分彌散的負(fù)電子云，所以中子作為整體雖是電中性，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻是很復(fù)雜。中子質(zhì)子以及幾乎所有的基本粒子，都可以有各種奇妙的彼此轉(zhuǎn)化關(guān)系。這都說明一定有更深一層的結(jié)構(gòu)，有更基本的粒子才能構(gòu)成這些五花八門的“基本粒子”目前已經(jīng)有了一個(gè)比較成熟的基本粒子內(nèi)部模型，即夸克模型。夸克模型認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的，到目前為止已發(fā)現(xiàn)夸克至少有六種，即上夸克u、下夸克d、頂夸克t、底夸克b、奇夸克s、粲夸克c，每種夸克還有三種顏色?？淇丝梢?帶分?jǐn)?shù)電荷，上夸克u、粲夸克c、頂夸克t、帶有+-個(gè)電荷，下夸克、奇夸克、底夸克帶有-丄個(gè)電荷。3221如圖4,質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，它的電荷是-+-1=+1；中子333211是由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，它的電荷是-1-1二0。3