中微子与太阳能源2002年诺贝尔物理奖简介-香港教育城.doc

中微子與太陽能源：2002年諾貝爾物理獎簡介 許伯銘 香港中文大學物理系 一、前言 　　2003年的會考物理課程在原子物理部份中加入了核聚變(nuclear fusion)一節，主要是指出除了重原子核在分裂過程中放出能量外，輕原子核也可以通過聚合的過程釋出能量，而地球萬物依賴生存的從太陽來的熱和光，也是核聚變的產品。要是沒有核聚變，地球祇會是冷冷的，我們也不用學什麼物理，因為根本就沒有我們。 　　2002年諾貝爾物理獎其中就是頒給通過實驗觀測來證實太陽是利用核聚合產生能量的工作。獲獎的是美國University of Pennsylvania的Raymond Davis Jr. 教授。另外個獎是頒給從事類似研究工作的日本籍物理學家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)。(2002)諾貝爾物理獎的研究工作。 　　老師們如果想給學生閱讀較短的文章，第二、三兩節可作用介紹中微子的短文閱讀。第四至六節亦可作為另一篇獨立短文閱讀。 二、中微子(Neutrino)的故事 　　會考課程中對(，(，(輻射的由來和特性已有討論。我們將集中討論(衰變。原子核衰變是因為原子核可以通過衰變達到能量（也可轉換為質量）較低的狀態。在核物理中，可以用圖一的方法表示每一個原子核。 (圖一：表示每一個原子核的符號，A是核子數(nucleon number)，Z是原子數(atomic number)) A是核子數(nucleon number)，亦稱作質量數(mass number)，它是原子核的質子(proton)和中子(neutron)數目的總和。Z是原子數(atomic number)，不同Z代表不同的元素X，在週期表中元素便是按Z順序排列的，Z = 1是氫，Z = 2是氦等等。例如氫有三個同位素。的中子數為零，叫作氫，核有一顆中子和一顆質子，叫作氘(deuteron)，核有兩顆中子和一顆質子，叫作氚(tritium)。H表示。 　　(衰變釋出的是電子，用e?表示。考慮如下的(衰變例子 (1) (1)式中表示核內中子過多，使不穩定，在(衰變中其中一顆中子轉變為質子和電子。從質量測量中發現(1)式左邊的質量比右邊的總質量要大，質量差(M約為0.001248u，其中1u = 1.66 ( 10(27 kg是原子質量的十二份之一，常用u作為表示原子核質量的單位。物理中最著名的方程之一是E = mc2，是Einstein的傑作，其內容在於質量和能量的互換。(1)式衰變後質量減少(M，轉換成((M)c2的能量（動量）給和電子分配。但記得電子的質量比核小得多（多少倍呢？見盒子一），電子的動能要比大得多。為什麼呢？想想胖子與小孩在溜冰時面對面站著用手一推，小孩的動能比胖子的要大（見盒子二）。因此，電子帶著((M)c2的動能。對(衰變釋出的電子測量其功能，我們期待測到的答案總是((M)c2。 電子的質量比中子／質子的質量小多少倍？估計電子的質量與的質量差多少倍。 盒子二 考慮質量M和質量m的溜冰手面對面站著相互用手一推，各自會往後退，利用動量守恆條件，計算兩人各自的動能。如M = 10m，找兩人動能之比。如M = 105m，再找動能之比。 　　在前世紀（19世紀）末已在實驗中觀察到核放射，在20世紀前30年已對(衰變做了大量實驗。居禮先生和夫人研究核放射的工作得到1903年（即第3次）的諾貝爾物理獎。對前段考慮的 (衰變所釋出的電子測量其動能，發現只有很少數的電子帶著動能((M)c2，極大部份電子的動能比((M)c2小。而且，電子的動能的分佈很廣，如圖二所示。 (圖二：衰變中的電子動能分佈) Kmax = ((M)c2，實驗結果跟全部電子應該帶著((M)c2動能的推測不一致。 　　應該怎樣理解實驗結果呢？其實有幾個可能性。一是所利用到的((M)c2的公式有問題，或許是能量和動量守恆的想法出問題。可是，這些可能出錯的事正好是物理學的最基本的原理，物理學家都不認為這是問題的根源。那麼，(衰變電子的動能比((M)c2小，必定是因為有另外一顆粒子帶走了一部份的動能，這正是奧地利籍著名物理學家Pauli（泡利）（1945年諾貝爾物理獎得主）在1930年的假設。Pauli認為有一顆神秘的粒子伴隨著電子在(衰變過程中產生，可是在當時和往後20多年都沒有在實驗中看到這顆粒子。再看圖二，電子的最大功能差不多是((M)c2，這意味著秘密粒子的質量非常小（為什麼呢？）。從(衰變電荷守恆看，神秘粒子是中性的。由於粒子的質量很小（長時期被認為是零質量的）和很難用實驗測量，Pauli便給它起了neutrino（中微子）的名字，符號為(（讀音為nu），英文的意思是little neutral one。e(的衰