亚原子物理百年回眸.doc

 童国梁 近日读到奥斯丁（Austin）的德克萨斯大学物 1911 年 3 月 7 日，卢瑟福（Ernest Rutherford） 理和天文系教授斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg） 于 2011 年 4 月在美国物理学会“亚原子物理 100 年”会议开幕式讲演，深受感动，欣然命笔，梳理 百年来粒子物理发展的轨迹，集成此文，以缅怀先 贤，鼓励后人。因涉及内容颇丰，故本文的选材只 能是纲领性的。文中提到的每一位科学家都对粒子 物理的发展作出了重要贡献，故不必区分各位科学 家是否是诺奖得主。物理学是一门以实验为基础的 科学，粒子物理学也不例外，本文的选择也遵循了 这个精神。粒子物理数据的更新日新月异，文中所 引数据只能保证在特定时期内准确。 一、卢瑟福?粒子散射实验 ——亚原子物理的开端 1．原子具有核式结构 在英国曼彻斯特（Manchester）文学和哲学学会的 一次会议上宣布发现了原子核。从此人类对物质结 构的探索深入到原子内部，开启了亚原子物理时代。 美国物理学会把卢瑟福宣布发现原子核这一时 刻作为基本粒子物理世纪的开端。这样的选择是很 有道理的。虽然也有人把亚原子物理划分为原子物 理、原子核物理和粒子物理三部分，但三者并不平 行、独立，而是一脉相承，前面两部分也可看成最 后那部分的前奏，从这个意义上说，卢瑟福散射实 验也就开启了基本粒子物理世纪。 1907 年汤姆孙（J. J. Thomson）测出了阴极射 线粒子的电荷和质量的比值 e/m，即荷质比，发现 了电子。那时，人们想象原子就像一个布丁，而电 子就像葡萄干那样均匀地黏合在正电荷背景上。这 就是汤姆孙原子模型。卢瑟福设计了?粒子散射实 验，即用能量较高的?粒子去碰撞原子，使与原子 发生相互作用并引起可以观察到的散射现象。?粒 子是带 2 倍正的元电荷的粒子。盖革（Hans Geiger） 和马斯登（Ernest Marsden）在卢瑟福的指导下利用 来自镭辐射衰变的?粒子作为入射粒子，打到金属 薄箔靶上。?粒子通过金属薄箔发生偏转的现象是 由于高能?粒子深入到金属箔中的原子内部后与其 中的正电荷或负电荷相互作用所引起的。由于?粒 子的质量比电子的质量大很多倍（现在知道大 3600 多倍），电子作用于?粒子上的力不能显著改变?粒 子的运动方向。所以?粒子的散射可以看作是由于 受到原子内部的正电荷的斥力所产生的。?粒子散 射情况与原子内正电荷的分布情况有关，故研究?粒 子的散射情况就可以探索原子内正电荷的分布情况。 卢瑟福（1871～1937） 散射方法在研究原子内部质量分布和电荷分布 是很适宜的。因为快速运动的带电粒子通过物质时 与物质中原子相互作用，而相互作用的情况不仅与 作用力的性质有关，而且也与原子的结构和质量分 布及电荷分布有关。散射实验使我们能根据散射情 况估计在原子所占空间中的质量分布情况和电荷分 布情况。当时能够用在散射实验中来“轰击”粒子 的只有电子及?粒子。由于电子质量轻，能量低， 通过金属箔时就极易被散射，不易得出明晰的结论。 而具有单一能量、质量较重的?粒子就是理想的“炮 弹”了。其实散射实验不仅用来研究原子结构，也 已成为粒子物理实验的一种范式，广泛地用在研究 原子核结构、质子结构、电子结构以及相互作用力 之中。例如 20 世纪 60 年代后期到 70 年代，粒子物 理进行了大量利用高能电子去碰撞核子的实验，这 就是风行一时的高能电子深度非弹性散射实验。这 些散射实验得到了极其重要的实验结果：质子内部 的质量和电荷并不是均匀分布的，而存在有部分子 （后来部分子被认定就是夸克）。这个结果就成了夸 克模型最重要的实验证据之一。现在的一些大型加 速器，除了用来寻找新粒子外，也用来做一批最基 本的实验，其中就包括电子、质子和其他粒子的弹 性和非弹性散射实验。 二、原子光谱研究 ——开启了量子理论的发展历程 1．氢原子光谱线 卢瑟福的原子模型首次正确地解决了原子内部 的结构问题。但随即也就产生了一些新的问题，例 如核外电子究竟处于什么状态？如果电子是静止 的，就应该被核吸引而进入核内；如果电子绕核运 动，根据经典理论，它会由于有加速运动而产生辐 射使能量损失，以致轨道半径越来越小，即形成电 子向着原子核作螺旋形运动，在极短的时间内将掉 进核内。这样，原子的稳定性就没法解释。这些问 题的回答则来自原子的光谱研究上。19 世纪人们虽 还不知原子的结构，但已经知道各种原子或分子发 的光是不一样的，通常原子发射的是线光谱，分子 发射的是带光谱。人们逐步地总结出一些原子光谱 的规律，首先是氢原子光谱的规律。人们在氢原子 光谱图中看到有 3 个谱线系列，一个谱线系列在可 见光和近紫外区，为巴尔末（J. J. Balmer）系；一