粒子物理的历史发展

1. 粒子物理的历史发展 王 宁， 广西师范大学 国家对探索微观世界的关注  古代的物质世界观 19世纪的物质元素：元素周期表 20世纪初：近代的基本粒子 20世纪60年代：现代的基本粒子

2.  国家对探索微观世界的关注 1984年10月，在位于北京玉泉路边的中国科学院高能物理研究所院内，邓小平同志亲自挥锨铲土为北京正负电子对撞机奠基。 From Prof. H.Q. Jiang

3. 1988年10月，北京正负电子对撞机建成，邓小平等中央领导再次来到高能物理研究所，邓小平发表了至今仍影响中国科技发展的重要讲话。 “说起我们这个正负电子对撞机，我先讲个故事。有一位欧洲朋友，是位科学家，向我提了一个问题：你们目前经济并不发达，为什么要搞这个东西？我就回答他，这是从长远发展的利益着眼，不能只看眼前。” “过去也好，今天也好，将来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。如果六十年代以来中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重要影响的大国，就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。”

4. 兰州重离子加速器冷却储存环 “九五”期间，国家又批准了另一个研究物质微观规律的重大科学工程项目-兰州重离子加速器冷却储存环工程（HIRFL-CSR），它是兰州重离子加速器(HIRFL)的扩建工程，工程总投资2.935亿元，建设周期五年。 国家非常重视对物质微观世界的研究。

5. “十一五”期间，我国将投资60多亿元启动建设12项大科学装置“十一五”期间，我国将投资60多亿元启动建设12项大科学装置 在建项目 •     １．北京正负电子对撞机二期工程，由高能物理研究所承建； •     ２．大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)，由国家天文台承建； •     ３．东半球空间环境地基综合监测子午链，由空间科学与应用研究中心承建； •     ４．上海同步辐射光源(ＳＳＲＦ)，由上海应用物理研究所承建； •     ５．武汉国家生物安全实验室(Ｐ４)，由武汉病毒研究所承建； •     ６．兰州重离子加速器冷却储存环工程，由近代物理研究所承建； •     ７．中国西南野生生物种质资源库，由昆明植物研究所承建； •     ８．全超导托卡马克核聚变实验装置，由合肥物质科学研究院承建。     将建项目： •     １．强磁场实验装置—稳态部分，由合肥物质科学研究院承建； •     ２．航空遥感系统，由电子学研究所承建； •     ３．５００米口径球面射电望远镜(ＦＡＳＴ)，由国家天文台承建； •     ４．海洋科学综合考察船，由海洋研究所承建； •     ５．蛋白质科学研究设施，由上海生命科学研究院承建； •     ６．散裂中子源，由高能物理研究所承建。

6. ——访中国科学院常务副院长白春礼院士 大科学装置的一个重要特点是投资巨大、耗时较长，在发达国家都感到吃力的情况下，中国为什么要开展这些工程？ 当前全球竞争日趋激烈，加强创新能力建设成为世界各国提高国际竞争力的重要国策。我国确立了建设创新型国家的发展战略，而大科学装置在创新能力的提升中占据重要地位。 人类探索自然世界必须借助科学仪器。随着科学技术的发展，人类对物质结构的认识是从一开始看到身边的各种物质逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次，这些原子内部结构与运动的信息只有借助大科学装置才能获得，而这些信息是众多学科前沿研究的基础。   目前，世界各国都认识到大科学装置在国家创新能力中的重要地位，许多国家特别是发达国家在已经建设众多大科学装置的基础上，纷纷制定雄心勃勃的大科学装置发展规划并加大对大科学装置的投入规模。   我国要在未来的科技竞争中取得优势，必须建造大科学装置提升原始创新能力，提升我国基础科学和前沿高技术领域的创新能力，在部分科技前沿领域在国际上占据一席之地。 From http://cbsf.ihep.ac.cn/

7. 漫游物质微观世界,探索微观奥秘对人类社会的影响漫游物质微观世界,探索微观奥秘对人类社会的影响 物质世界是由什么构成的？物质世界是怎样构成的？认识物质结构的手段有哪些？物质微观世界对人类的影响？

8. 古代的物质世界 气一元论－> 阴阳学说－> 五行学说 五行学说是中国古代的一种朴素的唯物主义哲学思想；一方面认为世界万物是由金木水火土五种基本物质所构成；另一方面又认为任何事物都不是孤立的、静止的，而是在不断的相生、相克的运动之中维持着协调平衡 在欧洲，古希腊人认为大地是由水、火、土和空气等元素组成； 公元前5世纪后半期，德谟克利特（Democritus）认为万物是由不可分割的称为原子的粒子组成。原子：古希腊语 不可分割。 注意区分粒子（particle）和离子（ion）

9. 元素周期表与核素图 19世纪初，道尔顿（J.Dalton）提出每一种元素都代表一种特定的原子，不同元素的原子，其性质首先是重量不同。 1869年，俄国人门捷列夫分析当时的63种元素的化学性质，排列出元素周期表，并且预言了当时尚未发现的多种元素及其化学性质。 超重元素的合成是当前核物理界的研究热点。 107-112 GSI (命名到111) 113－116,118 Dubna 113 RIKEN 19世纪末，原子论大多熟悉，但尚未普遍；英国倾向于原子论；德国受经验哲学家马赫影响（玻尔兹曼用原子假说解释热现象，遭同事非难，而于1906年自杀）

10. 20世纪早期：近代的基本粒子 19世纪末、20世纪初，人们发现了一系列新现象：阴极射线、光电效应、放射性、X射线等等，对原子结构的认识渐渐进入微观层次。 1897年，J.J.Thomson 测定阴极射线的荷质比发现电子； 1901年，M.Planck 研究热辐射理论，提出光的量子化理论； 1095年，A.Einstein 通过光电效应实验发现光子； 1911年，R.A.Millikan 通过油滴实验测定电子电荷的数值，证实电荷的量子化； 1911年，L.Rutherford 粒子轰击靶核存在大角度散射，提出原子核概念； 1919年， L.Rutherford 粒子轰击14N靶，发现了质子；（原子核中有质子） 1932年，J.Chadwick 在人工核反应中发现中子；（原子核中有中子） 1931年，W.Pauli 根据原子核的β衰变（n－>p+e+v），提出中微子假设； 1932年，C.D.Anderson 利用云室研究宇宙射线发现了正电子，证实了狄拉克理论 … …

11. 克鲁克斯管示意图。A是低压电源，提供阴极C加热的能量。B是高压电源，为覆磷的阳极P提供电压。M是蒙片，其电位与阴极相同，其图像显示在屏幕上磷不发光的部位 阴极射线 1858年德国物理学家普吕克尔(J.Plucker)在利用放电现象时发现了阴极射线 有5位科学家在研究阴极射线相关的工作中获得了诺贝尔奖

12. 威廉·克鲁克斯(William.Crookes，英国) ，玻璃管内的空气越稀薄，越容易产生自激放电现象。但是，当玻璃管内的空气稀薄到一定程度时，管内的光线反而渐渐消失，而在阴极的对面玻璃管壁上出现了绿色荧光。这种阴极发射出来的射线，肉眼看不见，但能在玻璃管壁上产生辉光或荧光。 真空技术稀薄气体放电现象。 德国玻璃工人会制造一种能发出绿光的管子，悬挂在客厅里做装饰品。 参见http://www.ihep.ac.cn/kejiyuandi/

13. 这种光线到底是什么？ 1879年，他证实阴极射线不但能传递能量,还能传递动量.物理学讨论会上演示磁场对射线的偏转，他认为,阴极射线是由带负电的“分子流”组成的.这些分子是真空管内残余气体的分子,它们撞到阴极上,带上了负电荷,于是就受到阴极的排斥,沿着与阴极表面垂直的方向飞走. 舒斯特，1890年根据阴极射线的磁偏转和放电管电极之间的电势差来估计这一带电粒子荷质比e/m,在5×106 - 1010库仑/千克之间. 由此得出结论,阴极射线是由带电的原子组成的. 参看郁忠强编著的《从原子到夸克》

14. 德国 的物理学家Plücker和Goldstein都认为阴极射线是类似于紫外线的以太波.赫兹也认为这种光线是一种电磁波。 从1883年起赫兹（H.Hertz）对阴极射线进行了一系列实验，发现阴极射线是连续射出的，而且观察到阴极射线在电场中不偏转。1891年，他更进一步发现，阴极射线能够穿透金属薄片（金箔、银箔、铝箔），（因为当时人们已知的任何物质粒子都不可能穿过金属薄片）。所以认为阴极射线不是粒子流。 勒纳德 -- 将阴极射线引出放电管外,作出了“勒纳德窗”的重大发现

15. 以克鲁克斯为代表的英国学派的带电微粒说 • 以赫兹为代表的德国学派的波动说 阴极射线究竟是什么？ 是带电粒子流还是电磁波？

16. 波动学说的一个新证据 为了证实波动说的正确,Goldstein做了一个精确的光谱实验,他特制了一根L形放电管，电极A、B轮流充当阴极,用光谱仪观测谱线.如果阴极射线是分子流,它发出的光应产生多普勒效应,光的频率应与分子流运动的方向有关,用光谱仪观测到的从A端和B端发出的射线的频率应该不同.可是,实验证实,不管是哪一端发出的阴极射线,其频率都是相同的.

17. 微粒学说的一个新证据 1895年,法国物理学家佩兰(J.B.PerrIn,1870-1942)做了著名的法拉第筒实验。他在阳极B中安装了一个法拉第筒F,用以接收从阴极C发出的射线的电荷,再由静电计检验电荷的正负.实验结果是静电计带负电.他用磁场先将阴极射线偏向一方,使它无法进入小孔H.这时,静电计的指针恢复到零,从而证明负电荷正是阴极射线携带的.佩兰通过实验认为阴极射线是带负电的粒子流. 但他的实验无法做出判决性的结论,因为它无法证实静电计所带的电荷一定是阴极射线传入的(也可能其他负电粒子和阴极射线是同时从阴极发出的).

18. J. J. Thomson 为了判断究竟哪种观点正确，很多人继续研究阴极射线。 汤姆生（J.J.Thomson）对阴极射线的研究 • 3.1　测阴极射线携带的电荷 汤姆生将佩兰实验作了一项重大改进.他把与静电计相连的接收器(法拉第筒)安装在真空管的侧面.平时没有电荷进入接收器,用磁场使射线偏转,当磁场达到某一值时,接收器接收到的电荷猛增,说明电荷确实来自阴极射线.

19. 3.2　用静电场使射线偏转 汤姆生重复了赫兹用静电场使阴极射线发生偏转的实验. 开始并没有观察到任何持续而稳定的偏转。但细心的汤姆逊发现在金属板上外加电压的瞬间阴极射线出现短暂的偏转，然后很快地回到管壁标尺的中点。汤姆逊抓住这瞬间的异常，分析出现这种现象的可能原因。如果克鲁克斯的实验是正确的话，阴极射线在电场中也应该偏转。 为了排除管中气体的影响，汤姆逊利用了当时最先进的真空技术，将放电管内的空气一直抽到只剩下极小量的空气时，终于排除了电离气体的屏蔽作用，使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转。

20. 3.3　测阴极射线的荷质比 汤姆生从上述实验结果中完全得出了阴极射线是带负电的粒子流的结论.但是,这些粒子是分子、原子,还是更小的物质微粒呢?

21. 第一步:让阴极射线过一条狭缝进入阳极内的金属筒(法拉第筒),利用静电计测量一定时间内金属筒获得的电量Q.若进入筒内的微粒数为N,每个微粒所带的电量为e,则 Q = Ne. • 第二步:插入热电偶,经过同样时间后读出温升.若进入筒内微粒的动能W因碰撞全部转变成热能,则W可由温升计算出,其值为: W = N· mv2/2. 式中m、v分别为微粒的质量和速度 • 第三步:加上磁场使射线偏转.若R为微粒运动轨道的曲率半径,H为磁感应强度,则 H ev =mv2 /R. • 由以上三式可计算出 e/m=2W/H2R2Q. e/m = (1.7~2.5)×1011c/kg .后来他又采取用静电场和磁场使阴极射线偏转的方法,测得e/m = (0.7~0.9)×1011c/kg,其值约为当时电解中氢离子荷质比的1000倍.

22. J. J. Thomson 1、电子的发现: 汤姆逊认为更重要的是应该设法测出阴极射线中那些原子的质量。1897年，汤姆逊巧妙地将电场和磁场结合起来，首先测出了阴极射线的速度，并进一步测量出了阴极射线中带负电的“原子”所携带的电荷量和它的质量的比值，称为“荷质比”。证实该射线其实是带电粒子束，人们称其为“电子” 。 电子的质量仅仅是氢原子质量的大约1/1700，而且不管什么来源得到的电子，都具有相同的性质。汤姆逊由此得出了明确的结论：原子并不是物质可分性的最后极限，从原子中可以进一步分出电子。这一开创性工作使其获1906年的诺贝尔物理学奖

23. 2、X射线的发现 德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W.K. Rontgen，1845-1923） 伦琴的实验室 第一张X光片 1895年11月8日，伦琴也研究阴极射线穿透现象，为了防止紫外线和可见光的影响，并不使管内的可见光线漏出管外，伦琴用黑硬纸板把放电管严密地套封起来，在接通电源后，他意外地发现不远处一块涂有钡铂氰化物的屏上发出了荧光。 经过几天废寝忘食的研究，他确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致。因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少，所以他称它为X射线，表示未知的意思。

24. - + A K X射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，是一种电磁波，波长约：0.001~0.01(nm) 伦琴荣获1901年诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。X射线的发现不仅解开了物理学革命的序幕，也为医疗保健带来新的希望。 在1879年—1888年，伦琴在吉森大学进行了多方面选题的理论和实验研究， 包括电磁学、光学、晶体物理学。这使他对各种专门问题都具有广博的知识， 对他后来的发现也会有很大作用。

25. 3、 放射性的发现 1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel, 1852-1908）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线，贝克勒尔射线。

26. 玛丽·居里（M.S.Curie，1867-1934） 居里夫人从1897年开始直至1934年逝世的38年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素“镭”和“钋”。1910年完成了她的名著《论放射性》，由于她的杰出贡献： • 1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。 • 1911年又荣获了诺贝尔化学奖

27. α射线：带两个正电荷的氦核粒子流； γ α β ＋ － 天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。 β射线：带负电荷的高速电子流； γ射线：从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。

28. 1895-1897的三大发现，使物理学发生了深刻的变化：1895-1897的三大发现，使物理学发生了深刻的变化： • 电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法 • 过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和紫外线，现在却有了波长更短的X射线和γ射线。 • 过去以为原子是不可变的，自从发现放射性后，认识到原子是可变的。 三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的经典物理学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段。

29. - - - - - - 原子结构模型的发展 1 、汤姆逊葡萄干面包模型 1903年，汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。

30. 2、卢瑟福的核式模型 卢瑟福1871年8月13日出生在新西兰，1894年大学毕业，1895年到英国剑桥大学学习，成为J.J.汤姆逊的研究生。1908年卢瑟福荣获诺贝尔化学奖，同年在曼切斯特大学任教，继续指导他的学生进行粒子散射的实验研究。

31. 关键性的发现--卢瑟福实验 • 1911年英国科学家卢瑟福发现粒子穿过物质薄层被散射时，存在着大角度散射的事例． • 说明原子中的正电荷是集中在一个很小的区域(直径10-12 cm)之中。

32. - + 粒子散射 粒子束射向金箔： 1 / 8000被反射，大部分透过

33. 1911年卢瑟福提出原子的“有核结构模型” 原子的核式模型： 原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。 文科物理

34. 原子核是否有结构？ 因为它看起來很小、结实而又密集，所以科学家最初认为原子核就是基本元素。 • 1919年卢瑟福使用放射性元素的  射线轰击靶核的方法，第一次获得了原子核的人工裂变，在氮核中打出最简单的原子核——氢核(即质子)． 这说明原子核还是复合系统． • 一种流行的看法：原子核是由质子和电子组成的！

35. 核物理发展的转折点-1932 在1929年,美国物理学家米利肯写道: 所有的原子都是由一定数量带正电的和带负电的电子组成。所有的化学力都是由于正、负电子之间的吸引引起的。所有的弹力都是由于电子之间的吸引和排斥。一句话，从本质上看，物质的本身是电性的。 1932年查德威克(J．Chadwick)在人工核裂变实验中发现了中子，中子的质量与质子相同，但不带电．

36. 提出命题 推测答案 理论预言 实验检验 物理学的研究方法 物理学是一门理论与实验高度结合的精确科学，其研究方法可以概括为： 物理上的直觉、想象力、洞察力也常常产生重大突破和发现 应 用 修改理论

37. E. Rutherford 卢瑟福用alpha粒子轰击靶核发现大角度偏转，建立原子核的概念。 卢瑟福更重视对年轻人的培养。在他的学生中有12位获得了诺贝尔奖，其中包括玻尔、查德威克(1932年查德威克发现了中子)等。 英国剑桥大学卡文迪什（Cavendish）实验室

38. E. Rutherford 一个深夜，担任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的卢瑟福，披着外衣来检查实验室，发现一位学生还在做实验。 卢瑟福就问他：“你上午干什么了？” 学生回答：“在做实验。” 卢瑟福又问：“那你下午做什么了？” 学生回答：“做实验。” 卢瑟福提高嗓门问：“那你晚上又做什么呢？” 学生挺直了胸脯回答：“我还在做实验。” 卢瑟福对他说：“你整天做实验，还有什么时间用于思考呢？”

39. 原子的尺度～1 埃＝ 10－10m 核子（质子、中子）的半径～1 fm= 10－15m 原子核的半径＝1.16A1/3 fm

40. 原子与原子核的尺度 安联体育场 （德国，慕尼黑）

42. 星系团 粒子 1025 星系 10-20 W++ 1020 10-15 1015 太阳系 原子核 10-10 1010 105 10-5 1m 原子 地球 山 DNA 人 天体物理 粒子物理 两大尖端紧密衔接 微观 宇观 介观 宏观

43. 赵忠尧教授 张文裕教授 粒子物理发展中，我国部分科学家的贡献 1930年，赵忠尧教授在美国CIT实验室发现硬射线通过重物质时产生反常吸收和特殊辐射（这实际是正负电子对的产生和湮灭现象），他的同事Anderson为弄清楚这种现象，利用云室观察到了正电子。（正电子发现的前导） 1935年，日本的汤川秀树（H.Yukawa）假设核子之间通过交换介子来产生核力（强相互作用），并且预言该介子的质量在200多倍的电子质量。1937年发现  介子（206倍的电子质量）后，人们误认为它就是汤川所预言的粒子，10年后才有人提出  介子不是汤川粒子(真正传递强相互作用的是273倍电子质量的 介子的)。1948年中国物理学家张文裕教授直接观察宇宙射线中的  介子与物质的相互作用的实验结果，提出u+p->n+v的弱作用微观过程，确证μ介子不参与强相互作用。

44. 王淦昌教授 束流输运线 电子直线加速器 1960年，中国核物理学家，”两弹一星元勋”王淦昌教授领导的研究小组在401所发现反西格玛负超子（∑－）。 1965年前后，中国理论物理学家们提出了“层子模型”，属于强子结构新领域的开创性工作。 1988年中国建立了一台2x2.2/2.8GeV北京正负电子对撞机，开展了广阔的应用研究工作。

45. 现代的基本粒子 到20世纪60年代人们陆续发现了大批的新粒子以及共振态粒子，数目达到300多种。人们继续探索粒子更基本的结构。 什么是夸克 1964年美国物理学家盖尔曼（M.Gell-Mann）和茨威格（G.Zweig）提出了夸克模型： 1). 强子由三种夸克组成（u, d, s） 2). 介子由一个夸克和一个反夸克组成 3). 一个重子由三个夸克组成。

46. 夸克模型提出中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的，很多中国物理学家称其为“层子”。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年华裔科学家丁肇中发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c) （丁肇中因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖 ）。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。 夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子果然于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负Ω粒子。盖尔曼因此获得了诺贝尔奖。

47. 什么是媒介子 物质之间存在相互作用，而传递这种作用的粒子称为媒介子 1 强相互作用 （核力），媒介子为 介子 或 胶子 2 弱相互作用（粒子衰变），媒介子为 中间玻色子 3 电磁相互作用，媒介子为 光子 4 万有引力，媒介子为 引力子

48. 什么是轻子 轻子就是不参与强相互作用的费米子，它们参与弱相互作用与电磁作用。它们的自旋为1/2。至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一。 已经发现的轻子包括电子、μ子、τ子三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以νe、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。

49. 学习与思考 学而不思则罔， 思而不学则殆。  孔子 《论语·为政》