什么是基本粒子物理

什么是基本粒子物理

我们生活在地球上，仰观太空，斗转星移；

俯察大地，声光电热。

面对宇宙万物，有多少人在思考：

世界万物是由什么构成的？

它们有最小的结构吗？

如果有，那是什么呢？

粗略地说，世界是由基本粒子组成的。所谓基本粒子，就是我们不考虑它的进一步结构，而把它当成整体的东西或者说是构成世界万物的、不能再分割的最小单元。

把多种多样的物质看成是由少数几个基本实体构成，并以这样一个物质基础来说明自然界的统一性和多样性，虽简单，但抓住了问题的要害。

基本性是个历史的、相对的概念。不同的时代，由于人们认识的不同，基本粒子家族的内容在不断地演变。

（1）希腊泰勒斯提出“水为万物之本”。

（2）亚里士多得认为水、火、空气，土是构成物质的基本元素

（3）460-370,德漠克利特提出了原子论。

（4）周代，我们的祖先就提出了五行说，即认为万物是由金、木、水、火、土五种物质原料构成。

（5）《周易》中有“太极生两仪，两仪成四像，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、

冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，由它们衍生出世界万物；

（5）战国时的老子说：“道生一、一生二、二生三、三生万物”；

（6）汉代则出现了天地万物由“元气”组成的哲学观点；

（7）650年，牛顿曾说：“依我看，有可能一开始上帝就以实心的、有质量的、坚硬的、不可分割的、可活动的粒子来创造物质，它有大小和外形以及其它属性，并占据一定质量……”

（8）1660年，英国科学家Ｒ.玻意耳提出化学元素的概念；

（9）1741年，罗蒙诺索夫《数学化学原理》：“一切物质都是由极微小的和感觉不到的粒子组成，这些粒子在物理上是不可分的，并且有相互结合能力，物质的性质就取决于这些微粒的性质。”（10）1789年，英国息今斯《燃素说及反燃素说的比较研究》，提出粒子彼此相互化合的设想。

（11）1844年，道尔顿学说：

1/元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成的，原子在化学变化中也不能再分割，并保持自己独特的性质。

2/同一元素所有原子的质量完全相同，不同种元素原子性质和质量各不相同。原子的质量是每一种元素基本特征。

3/不同元素化合时，原子以简单整数比结合。化合物的原子叫“复杂原子”。复杂原子的质量等于它的组分原子质量之和。

十九世纪末、二十世纪初，物理学基本完成了它对宏观世界的描写，开始着手向物质结构的更深层次进军。放射性和原子的碰撞，使我们认识到，原子是由原子核和电子组成的；而所有的原子核是由质子和中子组成的，光电效应告诉我们象电磁场这样一种物质形成也可看成是粒子（光子）构成的。

许多人以为这已经抓到了构造世界的最小砖块，但是历史表明，这只是人们渴望得到终极真理的一种热切心情罢了，３０年代人们在发现中子、质子后，又发现了正电子；而到５０年代，通过高能加速器，又发现了大批新粒子，数目超过了化学元素的数目，于是诞生了一门研究这些“基本粒子”结构的科学，这就是我们今天的基本粒子物理学。它是研究构成质子等的粒子（夸克），轻子（电子、中微子等）及传递相互作用的粒子（光子等）的一门科学，由于这些粒子的尺度非常小、对它们进行实验研究需要花费极高的能量，故也称为高能物理学。到今天，基本粒子物理学，已成了庞大的科学事业，全世界投入的人员近四千人，每年耗费的经费约几十亿美元。它不仅是物理学的三大科学前沿（指基本粒子、天体物理、生物物理）之一，也是人类科学的前沿，许多新思想在那里迸发，许多物质世界的新规律在那里得到发掘。

相应地，许多诺贝尔物理学奖也在这领域里找到了它应有的主人，近几十年来有近４０位科学家因粒子物理方面研究的杰出成果荣获诺贝尔物理学奖。

二、今天的基本粒子指什么：

粒子物理的几个发展阶段

第一、粒子物理的萌芽（１８９５－１９３２）

1895年，W.K.Rontgen发现X射线(光子)，因此荣获1901年诺贝尔物理学奖，A.H.Becquerel，P.Curie和M.Curie发现了放射性，共享了1903年诺贝尔物理学奖。

1989年，J.J.汤姆逊(J.J. Thomson)证实了电子的存在，由于对气体导电理论的贡献及实验研究的成果，他荣获了1906年诺贝尔物理学奖。

1905年，A.爱因斯坦(A.Einstein)揭示光电效应的定律，光的"粒子"性，即光子的概念被人们接受，他因此荣获了1921年诺贝尔物理学奖。

1911年，E．卢瑟福(E.Rutherford) 根据α粒子被金属箔散射的实验现象指出原子的有核结构。

1913年，N.波尔(N. Bohr)建立子原子的量子理论，因此，荣获1922 诺贝尔物理学奖.

1930年，W.泡利(W. Pauli)根据原子核β衰变的实验观察，提出中微子的假设，并由于他提出的泡利不相容原理而荣获1945年诺贝尔物理学奖.

20年代末,实验上得到证实的可以称为基本粒子的有光子(γ)、电子(e-)、质子(p).当时大多数物理学家都相信,一正一负两种粒子作为原子基本成份够了,而光子作为传递相互作用的粒子.但从元素周期表发现原子量与核外电荷数并不相等,如氦(2,4)镭

(88,226)。由此,1920年,卢瑟福预言:"除电子,质子之外,还可能存在第三种原子组份.它的电荷为零,可能是一个电子和一个质子紧密结合形成的一个中性粒子." 查德威克听了这个演讲后,相信这种粒子一定存在.他们想出各种办法轰击氢原子, 企图从氢原子核得到质子与电子紧密结合而成的中子,由于思路不对头,结果毫无所获。

1930年,德国物理学家博特和贝克尔发现用α粒子轰击铍得到的辐射强度,比轰击其它一些元素几乎大十倍。

1931年,约里奥. 居里夫妇对这一现象进行了细致的研究,他们观察到这种辐射的穿透力很强,而且可以从石蜡及其它含氢物质打出高速质子,但由于他们没有听过卢瑟福的演讲,因此没能作出正确的解释. 仍认为这种辐射是高能的γ射线,但我们知道γ光子可以从原子中打出电子,但质子比电子重1840倍,不可能被γ光子打出.查德威克在读了居里夫妇的论文后, 立即开始重复他们的实验,他发现,这种辐射不仅很容易地穿透2厘米的铅,还能够从用来检验的所有元素中把质子轰击出来.由此查德威克得出:这种辐射是由质量几乎与质子相等的不带电荷的中性粒子组成.从重复居里夫妇的实验到完成报告"中子有可能存在",前后总共花了10天.1932年，J.查德威克(J.chadwick)证实了中子的存在，因此荣获1935年诺贝尔物理学奖。