中微子的发现

中微子的发现

背景

从运动学理论可以知道，当一个粒子衰变为两个粒子时，动量和动能守恒，末态粒子的能量应为确定值。而1914年，查德威克在实验中发现β衰变中放出的电子的能谱为连续谱，这意味着电子有各种不同的能量。这是什么原因呢？

对查德威克发现的现象，梅特纳认为：原子发射的电子能量都具有观察到的最大值，最终观察到的是电子经过别的过程损失一定能量后的次级电子。艾利斯(C.D.Ellis)和伍斯特(W.A.Wooster)设计了一个实验，运用一个量能器把所有产生的粒子收集起来，即使初级电子的能量被次级过程重新分配，也能从收集到的总能量算出每次β衰变放出的平均能量，它应当等于观察到的电子能谱极大值。可是，1927年他们的实验结果表明，量能器得到的只是最后射出的电子能量，其平均值与连续谱相符，而看不到次级发射的其它能量。由此可见并没有什么次级过程起作用的迹象。

面对这种困惑形势，玻尔对能量守恒理论提出了质疑。玻尔的主张遭到激烈的反对，狄拉克表示：“我宁可不惜任何代价来保持能量的严格守恒。”泡利也不同意玻尔的观点，1930年，他提出：β衰变中，可能存在一种电中性的粒子带走了电子一部分能量。他把这一电中性的粒子称为中微子。泡利的这一建议是很大胆的，因为这样的粒子是很难直接探测出来的，但这一假设可以使人们摆脱有关核结构理论及β衰变所遇到的困境。

1933年10月的索尔维会议对中微子概念的发展具有重大意义。泡利在会上再次介绍了他对这个新粒子的看法。尽管海森伯还持有怀疑态度，费米却对它做了肯定，并且已经认识到它与中子的区别。那届索尔维会议后仅两个月，费米即在核的质子-中子模型的基础上，发表了有关β衰变的理论。他用相对论量子力学描述费米子，又利用狄拉克辐射理论的产生与湮灭算符及遵从二次量子化的方法导出了寿命公式和β衰变的连续能谱公式，成功的完成了他的β衰变理论。费米的β衰变理论，不仅圆满地解释了整个β衰变过程，澄清了有关β衰变的疑难，同时也确立了有关核结构的理论。按照费米的理论，在β衰变里，中微

子总是和电子一起放出来，它们不都是原子核中原有的成分。基本的β衰变可以写成

n→p+e +v e

其中的p是质子，v e是反中微子。

发现过程

中微子只参加弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍地穿过地球，由此可见中微子探测是十分困难的。1941年，中国物理学家王淦昌首先提出利用K-俘获原子的反冲测量，确定中微子的间接方法。他指出：“当一个β+放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个K层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放射的中微子，原子核外电子的效应可以忽略不计。于是，只要测量反应后原子的反冲效应对所有的原子都是相同的。”1942年，美国物理学家艾伦（J.S.Allen）按照王淦昌的方案进行了测量，取得了肯定的结果，但并未完全成功。1952年，罗德拜克（G.W.Rodeback）和艾伦又重新进行了K俘获实验，测出了原子的反冲能。这一年戴维斯（R.Davis）成功地重复了艾伦1942的实验，也获得了成功。这样，确定中微子存在的间接检验得到了实验上的支持。

在核反应中，中微子的发射数量级极大，它们是在核裂变中子产物的β衰变中产生出来的。通过对核裂变产物的探测，有可能看到中微子的存在。1956年，中微子终于被洛斯阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩(C.C.Cowan )与莱因斯(F.Reines)首先在核反应堆中检测到。最后的实验是他们在1959年美国原子能委员会所属的赛凡纳河工场完成的，这个实验确实巧妙地证实了反中微子的存在，它的结果很快被粒子物理界承认，它也被列为20世纪物理学的重要实验之一。莱因斯也因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

中微子的存在被证实后，为了探测到中微子，人们把目光转向了宇宙。最早进行实验的是美国布鲁克海文国家实验室的物理学家戴维斯等人，他们首先用四氯化碳（CCl4）作为探测介质，中微子与之相撞后，即

νe+37Cl→37Ar+e

反应生成的37Ar（Ar是惰性元素），一旦生成后便自动脱离氯分子，聚合为小氩气泡。37Ar具有放射性，即使量很小，也能因为它具有的放射性而被识别出来。戴维斯利用这个装置终于证实了中微子的存在。

意义

尽管中微子的提出颇有些戏剧性色彩，而且对它的认识也是极为曲折，但以后的研究证明，中微子是轻子的一种，是一种“基本粒子”。中微子具有一些奇妙的性质，它在微观世界中扮演着奇妙的角色。