物质微观结构探索

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1、杜东生高能物理研究所微观世界探索1中科院高能所　杜东生微观世界到底有多小？用高能电子作探针我们今天已探测质子深至10-19厘米（千万万亿分之一厘米，德国HERA），仍然没有探到微观世界的“底”.宏观世界有多大？今天用射电和光学望远镜人类已经可观测到130亿光年的距离（1光年等于光走1年的距离，约为10万亿公里）仍然没有看到宇宙的边。宇宙不管往大和往小深入都没有尽头。我们先来看看小宇宙即微观世界到底是怎么回事。下面这个简单的表可表示我们看到的东西：2中科院高能所　杜东生原子　　原子核　　基本粒子　　夸克、

2、轻子　　前子…?超超高能物理超高能物理高能物理原子核物理原子物理现在我们逐层加以说明，看看我们已经发现了什麽。3中科院高能所　杜东生(1)原子的结构（已非常清楚）原子核和电子原子半径Ratom~10-8cm核半径RNucl~10-12cm束缚能Ebin~10ev«me~0.5×106evGoodTheory:量子力学非相对论量子力学相对论量子力学+微扰理论(电磁作用α~1/137)+多体问题理论已完全清楚。问题是多体计算方法。Cornell大学用快速大型计算机计算分子化学结构。核电子4中科院高能所　杜东

3、生(2)原子核的结构（已经非常清楚）质子（p）中子（n）由构成Proton和Neutron合称核子（N）核中单个核子的平均结合能Ēbin/单个N10MeV=107eV«mp980MeV量子力学原理仍然可用于原子核，但微扰理论不能用了。s=g2/4π≳1核理论的预言能力受到了极大的限制。核理论不完整!Ebin/Ebin~106!核子电子5中科院高能所　杜东生(3)“基本粒子”的结构（基本清楚）1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，

4、称之为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：π，π0，K，K0，K0，Λ，，Ξ，Δ…约一百多种。有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。问题：是不是这一百多种粒子都是“基本”的？对比门捷列夫周期表1961年美国Hofstadter作了非常重要的实验：用400MeV到16000MeV的电子轰击质子（氢气做靶）6中科院高能所　杜东生400MeV相应的德布罗意波长为λ＝310-13cm相当于质子的大小结果发现：质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm

5、，电荷就分布在这样一个小空间范围。中子也有大小，半径10-13cm。中子虽然电荷为零，但在10-13cm范围内电荷密度有正有负。一百多种“基本”粒子，不可能都是最小单元，质子、中子有内部结构，说明有更小的东西基本粒子内部到底是甚麽东西呢？(3)“基本粒子”的结构（基本清楚）（续）e-e-+7中科院高能所　杜东生StanfordLinearAcceleratorCenter(SLAC)(ⅰ)夸克模型（QuarkModel)介子由（qq）构成重子由（qqq）构成(基本粒子结构的低能图象－价夸克）1964

6、年美国物理学家Gell-mann假定：一百多种“基本粒子”只由三种夸克u，d，s及其反粒子u,d,s构成u，d，s满足SU(3)对称，他们的电荷分别为质子电荷的（2/3，-1/3，-1/3）介子(π,κ,ρ…)、重子(p,n,Λ,∑…)都可由SU(3)来表示构造：9中科院高能所　杜东生质量公式预言m-1670MeV实验m-1672.450.29MeVsI3K+(us)K0(ds)-(ud)+(ud)K-(su)0K0(sd)sI3K*+K*0-K*-+K*0

7、0sI3n(udd)p(uud)-(dds)0(uds)0+(uus)-(dss)0(uss)(sss)△0△-△+△++0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋为00=uu-dd2自旋为110中科院高能所　杜东生Thebubblechamberpictureofthefirstomega-minus.AnincomingK-mesoninteractswithaprotonintheliqui

8、dhydrogenofthebubblechamberandproducesanomega-minus,aK°andaK+mesonwhichalldecayintootherparticles.Neutralparticleswhichproducenotracksinthechamberareshownbydashedlines.Thepresenceandpropertiesoftheneutralparticlesareestabl