中微子

Reines，Cowan实验的原理是利用中子衰变（n p e v ）的逆过程：
p n e
即反中微子被质子俘获后产生中子和正电子。 若实验能探测到这个过程中同时产生的中子和正电子，则就直接证
明了中微子的存在。实验记录了单位时间该事件发生的数目，就能获得 反中微子与质子相互作用截面的大小。
ER

pR2 2mR

p2 2mR

Ed2 2mRc2
式中：mR ——反冲核的质量。
说明：① 2mRc2 ——反冲核静能的两倍。一般情况：
2mRc2 104 MeV ② Ed ——β衰变能，一般为MeV量级。 ∴ ER 100eV 为了比较精确的测量反冲核的能量，反冲实验尽量采用轻核进行，以便
的结果是一致的。
2.直接证明
上述间接证明的实验，只能说明中微子的存在及其质量近似等于零。它
不能提供关于中微子的更多知识。为了研究中微子的一些重要特性，人们进
行了艰巨的实验工作。
莱尼斯(F﹒Reines)和珂文(C﹒L﹒Cowan)研究了中微子与物质的相互作
用截面。实验于1953年开始，1959年获得了比较满意的结果。
获得尽可能大的反冲能。
以上方法就是我们国家著名的物理学家王淦昌先生提出的，他建议用7 Be
的k电子俘获过程去探测中微子的存在.（1942年）
1952年，戴维斯（R﹒Davis）研究了
7 4
Be
的k俘获
7 4
Be

ek 37Li


0.86 MeV
在他的实验中测到 7Li的反冲能量 ER 55.9 1.0eV ,实验结果与发射中微子
中微子： H

1 1
自旋方向和运动方向相同，反中微子 自旋方向和运动方向相反，中微子

反中微子， 右旋粒子 中微子， 左旋粒子
三、中微子存在的实验证明
1、间接证明 由于中微子与物质的作用几率很小，不易直接观察，大部分用来证明中
微子存在的实验都是间接的。 1）、由测量β粒子和反冲核之间的角度关系来证明。
同为半整数或整数。
又因为：β粒子的自旋
I

1 2
为了保持角动量守恒，则中微子的自旋必为半整数。
如：6Be6Li e e
自旋：0 1 1/2
由角动量守恒：Iv

1 2
,
3 2
理论研究表明：Iv
所以：
1 Iv 2

3 2
不合要求
4、统计性
在β衰变过程中，母核、子核的质量数不变，则它们遵从相同的统计性。
§6.2、 中微子
一、中微子假说
为了解释β衰变过程中的能量“守恒”问题，1933年泡利（W.Pauli） 提出中微子假说：Neutrino
原子核在β衰变过程中，不仅放出一个β粒子，还放出一个不带电的中 性粒子，它的质量小的几乎为零，所以叫做中微子，用符号ν来表示。
有了中 微子的假说，以上困难就迎刃而解了。
通过测量β粒子和反冲核的能量或动量，根据能量守恒和动量守恒可
以确定第三个粒子的动量和能量，从而定出第三个粒子的质量。用这种方
法测得 mv 0
2）、测量K俘获过程反冲核的能量
K俘获的终态只有两个物体—中微子和反冲核，所以他们的能量都是单
一的。
根据动量守恒以及中微子的能量近似等于衰变能 Ed ，则反冲核的动 能为：
二、中微子的性质
1、静止质量 mv 由β谱形的实验表明：mv 15eV
在β衰变理论中，近似认为： mv 0
则中微子的速度 vc c
所以：Ev cpv
2、电荷
qv 0 由β衰变过程中电荷守恒得到：qv 0
3、自旋
1
Iv 2
在β衰变过程中，母核，子核的质量数不变，则母核、子核的自旋必
为了得到足够大的计数率： 强大的反中微子源 大体积的质子靶 高效率高灵敏的探测器
反中微子流由高功率反应堆来产生，反应堆中的裂变碎片具有级联的
衰变，可放出大量反中微子（平均每次衰变放出6.1个）。 实验装置由两个质子靶和三个液体闪烁探测器组成，位于距反应堆15米
反情冲况核，在）都β。 满衰pppR由 足变于 动过三 量程个 守中物 恒的体 ，动从 即量一 保守点 持恒分 三，离 者能时的量，矢守它量恒们和牵之为涉间零到的。三角个度物关体p系（R 可β以粒出子现，各ν及种
假设： ——β粒子的动量
pv
——中微子的动量
——反冲核的动量
p
则衰变能为：
电子是费米子，为了保持统计性守恒，则中微子必为费米子。
5、磁矩 v
实验没有侧得中微子的磁矩，但 v 106 N
所以：v 0
6、螺旋性（helicity）
定义：
H
|
p

p
|

|

|ຫໍສະໝຸດ Baidu
式中： P 和 分别表示粒子的动量和自旋
理论和实验表明:中微子的螺旋性 H 1
③一般情况：
当β粒子、ν、反冲核三者的动量处于以上两种特殊情况之外， 则有：0 E Em Ed ，则出现β谱的连续分布。
由于中微子不带电，而且 mv 0, v 0 。所以在量热器的实验中，它 能透过量热器的厚壁而逃跑。
对于反冲核，它和β粒子的平均能量相比可以忽略不计，则量热器测 到的能量只是β粒子的平均能量。
基本思想：如果β衰变时只有发射β粒子，不发射中微子，那么按动
量守恒原理，β粒子只能在反冲核的相反方向上才能探测到。
如果β衰变是不仅只发射β粒子，而且也发射中微子，那么不仅在反
冲核方向相反方向上，而且在其它方向上也可能探测到β粒子。
实验结果表明，β粒子和反冲核的方向不是恰恰相反。这就表明一定
有第三个粒子同时发出。
Ed
E
(E 2mec2 )E 2mRc2

E
(1
E 2mRc2

me mR
)
me mR E 2mRc2
Ed E
则此时β粒子的动能大约等于衰变能。
②、中微子的动量和反冲核的动量大小相等，方向相反。

pR p
p 0 E 0
中微子与物质的作用是极弱的，理论估计它与一般原子核的作用截面
为 ~ 1044 cm2 。 物质的原子密度 n ~ 1023cm3
则中微子在普通物质中的平均自由程：


1
n
1 ~ 1023 1044
1021cm 1016 km
由此可见，中微子在普通物质中的平均自由程比地球的直径
（ ~ 1.3104 km ）大亿万倍，这表明中微子可以横贯地球通行无阻。