中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义.doc

PAGE PAGE 1 中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义 (1)中微子的提出 要追溯中微子发现的经过，还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起.当时科学家们发现，在量子世界中能量的吸收和发射是不连续的.不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的.这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的.奇怪的是，物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了. 瑞士物理学家泡利在1931年最先假设有种新粒子“窃走了”能量.在1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的.1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”. 1933年意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用——弱相互作用.β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子.他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律，β能谱连续之谜终于解开了.如果中微子有引力质量，那么根据Einstein的质能方程，必须把能量E*的一部分用来产生中微子，这样留给电子的能量就比E*小.泡利推算出中微子是没有质量的观点是错误的，由于中微子的引力质量非常小，因此在埃利斯的实验中发现电子也偶尔确实会有能量为E*的情况.泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子.就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的. (2)中微子的发现 在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验.1941年王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上.1942年6月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是当年世界物理学界的一件大事.但当时的实验不是非常成功，直到1952年艾伦与罗德巴克合作，才第一次用成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个.在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与质量相互作用引起的反应，直接探测中微子.由于中子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的.直到1956年，这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成.首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合适的源.这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变.裂变碎片大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源.因为中微子反应几率很小，要求用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中.这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光.由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在.其检测机制是：1）核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子（泡利的假设）；2）一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电子；3）正电子会碰到电子而湮灭，产生一对伽玛光子；4）中子会被镉核子俘获而产生光子（比正负电子对湮灭约晚几个微妙）.这样，这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生.所以，实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的事件.只要同时检测到了三个光子，就认为檢测到了反中微子.但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的. 1978年，斯坦福大学物理学家马丁·佩尔和同事发现了τ轻子，在理论上这意味着τ中微子的存在，因为中微子是轻子的“前辈”.但是，由于τ中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，因而一直难寻踪迹.1982年，费米实验室的科学家用实验支持了τ中微子存在的假设.1989年，欧洲核子研究中心科学家证实τ中微子是标准模型中的第三个，也是最后一个轻中微子.1980年，前苏联的科学家曾对氚b能谱的测量推得中微子有静止质量.1998年6月，日本科学家经过一段时间的观测后，也证实了中微子具有静止质量.根据电子、放射性核和子核的旋转情况，泡利推算出中微子具有自旋，是左手征的.在量子力学中，场的能量集中在波包中，electric field的能量集中在光子中，因此引力场的能量应当集中在中微子中.光波是electromagnetic field（即电磁质量）的传播，机械波是中微子（即引力质量）的传播.它们具有