基本粒子的发展论文（毕业学术论文设计）.docVIP

PAGE PAGE 7 研究生学位课程论文 论 文 题 目： 基本粒子的发展 基本粒子的发展 摘 要： 本文通过对电子、光子、质子、中子、正电子、中微子的发现和强子夸克模型的介绍，阐述了粒子物理的一些基本知识。 关键词： 基本粒子、电子、中微子、夸克 引言：不久前刚选完导师，我的导师是高策教授。第一次见面，高老师询问了我的专业背景和兴趣后，给了我一些指导，希望我了解一下弦论和场论方面的相关理论。于是，自己接触到了一些以前没有关注过的知识（粒子物理学）。刚好正值期末，自然辩证法要交期末论文，题目自拟，所以想总结一下基本粒子的发展。这样既可以完成学科作业，又能把近来看过的东西做一个简单总结，同时自己还抱着写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功效，但愿自己已经做到了。 揭露万物之本和世界之源是人类一直向往的研究目标。早在公元前4世纪，古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)和留基伯(Leucippus)就提出物质由不可分的微小的基本粒子组成，及原子论。两千多年来，人类对世界本原的探索研究表明，物质世界的确有其深层次的构造，但又远非两位先哲所想的那样简单。 “基本粒子”按其原意是构成世界万物的不能再分割的最小单元。这其实只是一种历史概念，随着人类认识的不断深化，这种概念本身也在不断演变。最初，留基伯和德谟克利特提出的原子就是指构成世界万物的终极单元。但时至今日，已经没有人认为原子不能再分割了。“最小单元”这个概念一次又一次地被迫转移到下一层次，于是“基本粒子”一词也就应运而生了。当然本文所用“基本粒子”一词并非说它永远不能再分割，而是说直到当时还未进一步被分割的物质单元，尽管已有种种迹象表明它仍然有其更深的结构。为了叙述方便，本文有时把“基本粒子”简称为“粒子”。接下来，我就从人类认识粒子的顺序来大致介绍人类对世界认识的不断深入。 一、人类认识的第一个基本粒子：电子 1897年，汤姆逊发现了电子，这是人类认识的第一个基本粒子，他因此而获得了1906年的诺贝尔物理奖。 汤姆逊是在研究阴极射线时发现电子的。著名的汤姆逊实验原理大致如图1： 图1 汤姆逊实验所用的真空管示意图 图中F为真空管，A为阴极，B为阳极（即A、B间加了一个电场）， B上有一小孔，阴极射线射出后，经电场加速，射向阳极B，通过B上的小孔飞向荧光屏E，在其上大出亮点。试验中，可在C、D间加上电场或者磁场，使电子获得不同的偏转。在这样的场景下，通过一些简单的电学磁学计算，就可以得出了阴极射线里所包含的粒子的电荷量e和质量m分别为： 库仑 克 并且该粒子带电为负，这就是电子了。 二、人类认识的第二个基本粒子：光子 人类对光的人是经历了漫长的岁月。大约在三百年前，牛顿(Isaac Newton, 1642～1727),根据光的直线传播特性推断光是由高速运行的微粒组成的，这就是著名的微粒说。随后，惠更斯(ChristiaanHuygens,1629～1695)又提出了与牛顿的观点对立的波动说，他认为光是一种波动。 这两种学说争论了一百多年，直到1801年，英国的托马斯·杨（Thomas Young，1773～1829）观察了光的双缝干涉现象。1818年，法国的菲涅耳（Fresnel,1788～1827）又进而观察到了光的衍射现象。按照波动说，光线应当会呈现干涉和衍射现象；但是按微粒说，则不会有这些现象。于是，暂时性地宣告了波动说的胜利，微粒说的失败。 随着电子的发现，人们发现的光电效应，即：当用紫外线照射金属时，金属表面会飞出一些电子。对飞出的电子的能量进行测量，结果发现增强紫外线的强度不会改变飞出的电子的能量；而增大紫外线的频率却可以明显增大电子的能量。这个现象用波动说是无法解释合理的。1905年，爱因斯坦(Albert Einstein,1879～1955)提出了光量子概念，认为光是由微粒组成，每个光子的能量为 （1） 其中为光的频率，为普朗克常数， 焦耳·秒 他认为光电效应是金属内一个电子吸收一个光子后飞离金属表面的过程。这个观点简洁完满地解释了波动说无法说明的事实：影响飞出的电子的能量的是照射光的频率，而非强度。光电效应清晰地显示了光的粒子性。光子作为一种粒子，它不仅具有能量，而且还具有确定的动量。爱因斯坦根据相对论的要求，证明了光子的动量和波长有如下关系 （2） 作为矢量的动量，其方向指向光传播的方向。一个光子与电子相撞，碰撞之后，电子获得能量，飞出金属表面。光作为一种粒子，成为人类认识的第二个基本粒子。爱因斯坦就是因为发现光电效应定律而获得1921年度的诺贝尔物理奖。 光子概