奇妙的粒子世界 | 周末读书

作者：黄涛 曹俊   

出版社：北京大学出版社 

读者福利

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内容简介

人类对物质结构的认识从19世纪初创立原子论到今天深入到夸克和轻子经历了多层次的探索。早在20世纪30年代已认识到物质结构最小单元(电子、质子、中子、光子、中微子等)，由此形成基本粒子概念，而后随着对物质结构探测技术的发展，人们在60年代初发现了大量基本粒子，从而进一步揭示了物质结构比质子和中子更深层次的组分和相互作用规律。作者按历史发展，运用通俗语言和图文并茂，带领读者畅游奇妙的粒子世界。书中穿插了很多有趣的故事和插图帮助读者理解微观世界中不同于日常生活的物理现象和特性。本书还引领读者了解近几年来最热门和前沿的科学议题，例如夸克的色和味、上帝粒子、中微子质量和暗物质等。相信这本书非常适合对科学有兴趣的青年读者丰富科学知识，增进探寻物质结构和宇宙奥秘的执着精神以及提高科学研究的创新能力。

具有高中以上文化水平和大学低年级的读者，也适合于从事粒子物理、核物理、宇宙学以及其它相关学科中学习和工作的科技工作者开阔视野和了解相关科学知识。

内容节选

第一章 物质最小单元之谜

1.1     原子——从哲学概念到科学学说

公元前420年左右，古希腊思想家德漠克利特(Democritus) (见图1.1左图) 提出了“原子”(atom)概念。他认为，所有物质经过一定次数的分割之后就不能再进一步分割了，而这些不能再进一步分割的基本单元即原子。原子在希腊文中的意思是不可分割的微粒。在其学说中，不同的原子具有不同的形态和重量。公元前300多年，中国战国时代的哲学家惠施（惠子）（见图1.1右图）说：“至大无外，谓之大一：至小无内，谓之小一。” “大一”是说整个空间大到无所不包，不再有外部；“小一”是说物质最小的单元，小到不可再分割，不再有内部。他认为物质世界是由微小的不可再分割的物质所构成。这个最小的单元，和德谟克利特称为原子的单元很类似。这些是人类从哲学概念认识自然界的最早的原子论，但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。

图1.1  左图：德谟克利特；右图：惠施

1803年，英国化学家道尔顿(U.Dalton) (见图1.2) 提出了基本单元概念，开创了科学的原子学说。他认为原子是不能破坏的小质点，每种元素都有一种特定的原子，相同的原子胶合在一起，结合成宏观物质。一种元素之所以不同于另一种元素，是因为原子的质量和性质不同，即一种原子与另一种原子之间的最基本物理差别在于它们的质量（对应于后来的原子量)。两千多年来人们关于物质是由最小单元——原子构成的思想由哲学的推理，变成了科学的学说。

图1.2  道尔顿

图1.3  门捷列夫

1869年，门捷列夫(D. I. Mendeleev)(见图1.3)设计了一个新的分类系统——元素周期表。该表按照元素的原子重量的次序排列，并预言了三种新元素——锗、镓、钪。人们很快发现了这三种新元素，从而奠定了元素周期表的实验基础。当时人们并不知道元素为何会排成这样一个周期表。

1912年，玻尔(N. H. D. Bohr) (见图1.4) 曾去英国卢瑟福实验室访问4个月，那时正是卢瑟福(E. Rutherford)发现原子中有一核心的激动人心的时刻。回到哥本哈根后，玻尔致力于原子模型研究。1913年，他构造出了玻尔原子模型，指出原子里电子的排列样式决定了元素的性质。玻尔认为，经典电磁学不能用来描述原子内部的运动规律。他的原子模型基于量子论解释了元素周期律，推动了描述原子内部力学规律的理论——量子力学的诞生，是物理学进入新时代的标志。1922年，玻尔获得诺贝尔物理学奖。下一节将详细介绍玻尔原子模型。

图1.4  玻尔

玻尔是一位杰出的原子物理学家。有趣的是，他很喜爱运动，在青年时代还是丹麦一支球队的一个主要的后备守门员。应吴有训邀请，玻尔曾在1937年5月访问我国上海、南京、北京等地，并做了多场学术报告，玻尔的儿子(A. N. Bohr)在哥本哈根良好的物理学氛围的熏陶下成长为一位杰出的原子核物理学家,并于1975年获得诺贝尔物理学奖。玻尔父子是历史上少有的几对都获得了诺贝尔物理学奖的父子之一。

1.2     人类对物质结构的认识从原子深入到原子核

元素周期表中每一种元素都是特定的原子。早期人们认为原子是构成物质结构的最小单元。但人类对物质结构的认识没有终止在这一层次，而是继续更深入地探索物质结构的最小单元。

1897年，汤姆孙(J. J. Thomson) (见图1.5) 在实验上发现了电子。汤姆孙做了用电场以及磁体使阴极身线偏转的实验，证明了阴极射线是带负电荷的粒子，它们的质量只是最小的原子——氢原子的约1/1800。汤姆孙把这种带负电荷的粒子称为电子。电子的质量约为0.5MeV。电子的发现从实验上打开了进入微观世界的大门，从而也开启了原子物理、原子核物理和基本粒子物理学的新时代。

图1.5  汤姆孙

1911年,卢瑟福 (见图 1.6 左图) 在用三年时间以ɑ粒子束流轰击金属薄箔并反复进行实验后，发现原子内部有一个小核心。ɑ粒子是天然放射性物质放射出来的，带正电荷，其质量要比电子重很多，后来人们知道ɑ粒子就是氦原子核。实验中发现大多数入射的ɑ粒子顺利通过金属薄箔，偏转角很小，但有的偏转角很大，甚至接近180°，即反弹回来，其概率仅约为1/8000(见图 1.6 右图)。卢瑟福由此断定，原子内部有一个体积极小、密度很大的核心——原子核，从实验上证明了原子是由电子和原子核构成的。在呈中性的原子内部原子核带正电，电子绕原子核运动，整个原子比原子核大约10000倍。卢瑟福原子模型将原子中电子绕原子核的运动看作像行星绕太阳的轨道运动一样，电子由于电磁相互作用在原子核外围做轨道运动。后来人们发现，与地球在绕太阳做轨道运动外还有自转类似，电子除了绕原子核轨道运动外还有“自转”，称为自旋。但在微观世界里自旋只能取整数和半整数，例如电子的自旋为1/2 (它的自旋角动量为,其中，称为约化普朗克常数，而h是普朗克常数)。

图 1.6  左图：卢瑟福；右图：卢瑟福用a粒子束流轰击金属薄箔的示意图

1913年，密立根(R. A. Millikan) (见图 1.7)油滴实验第一次测量了电子的电荷量为e=(4.774±0.009)x10^-10 esu(静电单位，相当于3x10^-9C)，这就从实验上确证了元电荷的存在，并使许多物理常数的计算获得了较高的精度。

图1.7  密立根

1932年，查德威克(J. Chadwick) (见图1.8)在约里奥-居里夫妇(F. Joliot-Curie and I. Joliot-Curie)工作的基础上通过进一步的实验，发现了中子。约里奥-居里夫妇用铍射线轰击石蜡和其他含氢物质，观察到石蜡中放射出一种强粒子流。由于当时人们错误地认为这种铍辐射是一种辐射，从而对这种粒子流的放射现象难以做出解释。查德威克根据约里奥-居里夫妇的实验，敏锐地觉察到铍辐射绝不是γ辐射，很可能是由铍中射出的新的粒子组成的。进而，他在用ɑ粒子轰击核的实验中发现了中子。中子的发现使人类对物质结构的认识从原子核深入到质子 (p)、中子 (n) 这一层次。此后, 海森堡 (W. K. Heisenberg) 和伊凡宁柯 (D. Iwanenko) 立即提出了原子核由质子和中子组成的假说。不久, 这一假说获得验证。至此人们认识到, 原子是由原子核和绕核运动的电子组成的, 而原子核由质子和中子通过很强的相互作用结合而成。氢原子是最简单的原子, 它的原子核仅有一个质子。除了氢原子核外, 所有原子核中, 带正电荷的质子的质量和都比原子核质量要轻。由带正电的质子和不带电的中子组成的原子核带正电, 带负电的电子由于电磁相互作用束缚在原子核周围, 从而形成原子 (见图1.9)。

图1.8  查德威克

图1.9  原子和原子核的示意图

卢瑟福的电子绕原子核做类似行量绕太阳运动的原子模型有根本性困难，因为电子绕原子核运动就有加速度，按经典电磁场理论，这样的电子应以电磁波形式辐射能量，轨道半径愈来愈小，最终落在原子核上(见图1.10)，因而原子必然是不稳定的。然而，实验上原子是稳定的。同时，由于辐射，电子绕原子核转动的频率会不断地改变，因而原子光谱应是连续光谱，可实验表明，原子辐射的光谱是一条一条很细的谱线，即只有一定的分立频率的光被发射出来。因此原子光谱实验与经典电动力学理论相矛盾，卢瑟福原子模型对原子结构的描述遇到了疑难。

图1.10  按经典电磁场理论，电子会辐射能量，最终落在原子核上

1913年，玻尔在从卢瑟福实验室回到哥本哈根后发表了著名的论文《论原子和分子结构》。该论文分三期发表，趣称三部曲。他认为经典电磁学不能用来描述原子内部电子运动的规律。玻尔基于量子论提出两点基本假定: (1)原子中的电子只能在确定的轨道上运动，这种运动状态称为定态。每条轨道上的电子都具有一定能量，这些能量只能取分立数值。(2)电子从外层轨道跳到内层轨道时失去能量，相反过程时吸收能量，吸收和发射的电磁辐射频率正比于两个轨道间的能量差。这就是玻尔的频率条件。由此构造的原子模型解决了卢瑟福原子模型遇到的疑难，且得到了一系列实验事实的支持，从而解释了元素周期律、原子光谱和光的吸收及辐射等现象。1914年，玻尔又到卢瑟福实验室访问，后于1916年回到哥本哈根任教授。

玻尔的这两条基本假定完全不能用经典电磁学解释，而实验事实则支持这种奇妙的物理图像。电子为什么在固定的轨道上运动？它在固定轨道上的运动规律，即原子内部电子的运动规律是什么？这些问题在玻尔的模型中没有答案。然而，正是这一模型直接导致了20世纪20—30年代量子力学的建立。量子力学是描述微观粒子运动的基本理论，有两种等价的表述——波动力学和矩阵力学。波动力学由薛定谔() (见图1.11)创立。在这一表述中，微观自由粒子的运动遵从薛定谔波动方程

图1.11  薛定谔

其中m是粒子的质量，ψ=ψ(x, t )为波函数，它的模方|ψ|²>0，可以解释为概率密度(上式采用了自然单位制，令)。量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等现象，成为描述在原子、分子乃至更深层次上的微观世界的一个基本理论。人们发现，微观粒子，如电子，不仅具有粒子性而且具有波动性，波粒二象性支配着微观世界的现象和规律。20世纪最初的二三十年是物理学发展的黄金时代。相对论和量子力学两大基本规律的建立，不仅影响着自然科学的发展，而且带动了20—21世纪人类科学技术的大发展和工业上的巨大进步。

作者简介

黄涛，中国科学院高能物理研究所研究员。曾任中国科学院高能物理研究所学术委员会主任、理论物理研究所学术委员会副主任、高能物理研究所理论物理研究室主任，《中国物理快报》副主编，《现代物理知识》主编，以及国际纯粹物理与应用物理联合会（IUPAP）粒子物理专业(C11)委员会委员。长期从事理论物理和高能物理研究。参与的层子模型理论获国家自然科学二等奖，获中科院自然科学二等奖3项，中科院科技进步奖1项。

曹俊，中国科学院高能物理研究所研究员、副所长、实验物理中心主任。国际纯粹物理与应用物理联合会（IUPAP）中微子委员会委员。主要从事中微子物理研究和中微子探测技术研究。先后任大亚湾反应堆中微子实验项目副经理、江门中微子实验（JUNO）常务副经理、台山中微子实验（TAO）负责人。获亚太物理学会杨振宁奖、中国科学院杰出科技成就奖， 2016年获国家自然科学奖一等奖（第2完成人）。

目录

第一章 物质最小单元之谜

§1.1 原子——从哲学概念到科学学说
§1.2 人类对物质结构的认识从原子深入到原子核

§1.3 基本粒子

第二章 基本粒子并不“基本”

§2.1 质子和中子靠什么力结合成极小的原子核? 

§2.2 基本粒子大发现时期

§2.3 基本粒子周期表

第三章 微观世界的两种神秘的相互作用

§3.1 自然界中的四种相互作用

§3.2 弱相互作用

§3.3 强相互作用

§3.4 电磁波和光子

第四章 禁闭在强子内部的夸克

§4.1 质子、中子等强子是由夸克组成的

§4.2 夸克模型

§4.3 层子模型

§4.4 重夸克的发现

§4.5 夸克与轻子的对称性

第五章 色味俱全的夸克

§5.1 夸克有3种不同颜色

§5.2 带色荷夸克之间的相互作用

§5.3 带色荷胶子间的相互作用产生反屏蔽效应

第六章 传递四种相互作用力的媒介子和统一之路

§6.1 从夸克层次描述弱相互作用

§6.2 传递弱相互作用的媒介子

§6.3 电磁相互作用和弱相互作用统一

§6.4 走向四种力统一之路

第七章 自然界为何需要希格斯粒子?

§7.1 对称性和对称性破缺

§7.2 中间玻色子质量来自希格斯机制

§7.3 发现希格斯粒子

第八章 神秘的幽灵粒子

§8.1 预言中微子

§8.2 寻找中微子

§8.3 找到三种中微子

§8.4 中微子是个“左撇子”

§8.5 中微子是自己的反粒子吗?

第九章 小幽灵引发大波涛

§9.1 中微子质量与中微子振荡

§9.2 发现中微子振荡

§9.3 太阳中微子失踪之谜

§9.4 大亚湾发现第三种振荡

§9.5 确定质量顺序与CP破坏相角

第十章 宇宙物质成分疑难

§10.1 宇宙大爆炸

§10.2 暗物质与暗能量

§10.3 宇宙反物质消失之谜

第十一章 奇妙中的疑难

后记

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