高能物理学的发展历史.pdf

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1、Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse螆高能物理学的发展历史蒅两千多年来人们关于物质是由原子构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。芃原子的概念，是由2400年前的希腊哲学家德谟克利特，和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说“至小无内，谓之小一”，意思是最小的物质是不可分的。这个最小的单元，也就是德谟克利特称为原子的东西。但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。之后的两千多年间，原子这个

2、概念，只停留在哲学思想的范畴。羁1897年，汤姆逊在实验中发现了电子，1911年卢瑟福由α粒子大角度弹性散射实验，又证实了带正电的原子核的存在。这样，就从实验上证明了原子的存在，以及原子是由电子和原子核构成的理论。袇1932年，查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元——质子、中子和电子构成的统一的世界图像。薄就在这个时候开始形成了现代的基本粒子概念。1905年，爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被康普顿等人的实验所证实，

3、因而光子被认为是一种“基本粒子”。1931年，泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子——中微子(严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由莱因斯和科恩在实验上证实的)。螂相对论量子力学预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一个反粒子——正电子是1932年，安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。螁随着原子核物理学的发展，发现除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外，还存在两种新的相互作用——强相互作用和弱相互作用。袈1934年，汤川秀树为解

4、释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和(或)中子之间交换一种具有质量的基本粒子——介子引起的。1936年，安德森和尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为百万分之二秒。羆汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的对称性理论。膂1947年，孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强

5、作用。1947年鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。蒂从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年，罗彻斯特和巴特勒在宇宙线实验中发现v粒子(即K介子)，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数——奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子，有质量比质子重的各种超子。在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。蚆这些发

6、现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子——引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。为了克服宇宙线流太弱这个限制，从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段，如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。肄到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头也越来越强。1961年，由盖耳-曼及奈曼类比化学元素周期表提出了，用强相互作用的对

7、称性来对强子进行分类的“八重法”。薁八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发现的Ω粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。羈在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一个带电的反超子是由中国的王淦昌等在1959年发现的。此外，还发现了为数众多的寿命极短经强作用衰变的粒子——共振态。螇基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面临一个突变。膃20世纪4

8、0年代到60年代，对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，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、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本