《人类科学技术史-387》原子核物理和基本粒子物理的进展（上）

原子核物理和基本粒子物理的进展（上）

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。

1949年8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。1950年1月，美国总统杜鲁门下达了制造氢弹的命令。1952年11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米、直径2000米的大坑。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、20、28、50、82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(10－23秒），衰变得慢(10－10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37Ar的K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子的存在。1961年发现的η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、s3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udsuds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。