5. 核力与介子
一位伟大的物理学家曾经说过， 科学不是而且永远不会是一本写完了的书， 每个重大的进展都带来了新问题， 每一次发展总是揭露出新的更深的困难。物理学的发展的确是这样， 每取得一个新的成就， 解决了现有的困难， 但同时也预示着新的难题的到来。这就是物理学发展的内在原因， 也正因为如此， 才有众多读者孜孜不倦地读这本令人兴趣盎然的书。
中子发现以后， 物理学家提出了原子核是由质子和中子组成的新模型， 取代了质子和电子组成的旧模型。这是一个很大的进步。但是， 一个新的问题随之出现了。什么力量使质子和中子结合在一起， 形成的原子核。在原子中， 电子和原子核都带电， 是电磁力， 即电磁相互作用使它们结合在一起。原子核中， 中子不带电， 它和质子之间不会是由电磁力而结合， 可它们之间的万有引力又非常微弱， 不足以把它们15相互吸引到10 -米这么小的范围。再有， 原子核中的质子都带有同性的电荷， 为什么它们又没有因同性相斥而飞散呢？这一系列的问题， 启发物理学家意识到， 原子核中的核子( 质子与中子的统称) 之间必有一种新的、尚未被认识的力存在。这种与万有引力和电磁力都不相同的力， 被称为核力， 也就是强相互作用。这种神秘核力具有一些突出的特点： 它的强度大， 核力比万有引力、电磁力都大得多， 它的强度是电磁力的100 倍。它的力程短， 核力只在核子之间非常短的距离内起作用， 当两个核子之间距离小于十万亿分之三厘米时， 核力最强， 当距离大于这个数值时， 核力很快趋于零。它与电荷无关， 作用于质子与质子之间、中子与中子之间以及质子与中子之间的核力， 大致上是相等的。它具有饱和性， 每个核子只同它附近的几个核子之间有核力作用， 而不是同时与原子核内所有的核子发生作用。它还具有交换性， 当质子和中子通过核力发生作用时， 能够伴随着发生电荷交换， 质子把它的正电荷传递给中子， 于是质子变成中子， 中子则变成质子。
认识到核力的这些特点， 更激起了物理学家的一个疑惑： 核力是怎么发生的？ 只有当知道了核力的发生机制， 才能合理地解释它那些不同寻常的性质。
1935 年， 日本物理学家汤川秀树提出， 原子核内核子之间核力的发生， 同带电粒子之间电磁相互作用的发生是类似的， 也是核子之间不断交换某种媒介粒子的结果。19 世纪， 麦克斯韦的电磁场理论确定了带电物体之间的电磁力是通过电磁场， 也就是光波， 由一方以光速传递到另一方的。光子就是电磁力的传递者。汤川秀树认为， 由于核力的力程很短， 对应于核力的这种媒介粒子， 不会像光子那样没有质量， 而应该是一个质量较重的粒子。这就好比两个人在较远的距离上可以传递篮球， 而要传递较重的铅球就不容易了； 但是如果两个人之间的距离足够近时， 则可以传递较重的铅球。汤川秀树还估算了这种粒子的质量大约是电子质量的200 倍。由于它的质量介于电子和质子之间， 所以它被安德逊命名为介子。
根据汤川秀树的介子理论， 可以较好地说明核力的发生。如果是在质子与质子、中子与中子之间， 那么核力是通过交换中性的介子而发生的， 进行介子交换的核子除了能量有改变外， 其他性质都不发生改变。如果是在质子与中子之间， 那么核力是通过交换带电的介子而发生的， 进行介子交换的核子不仅双方的能量有改变， 而且核子的性质也发生改变， 质子变成了中子， 中子变成了质子。当时已经知道β衰变的结果是核子的转变， 而且β衰变过程中， 中子转变为质子时放出电子和中微子， 质子转变为中子时放出正电子和中微子。汤川秀树为了用介子理论合理地解释β衰变现象， 他还预言， 介子应当是一种不稳定的粒子。它在核子间进行交换时， 会发生衰变， 一个带正电的介子可以衰变为一个正电子和中微子； 一个带负电的介子可以衰变为一个电子和中微子。
汤川秀树的介子理论提出来之后， 开始并没有引起人们的重视。但是， 1937 年的一件事改变了物理学家的态度。
那是安德逊和他的合作者尼德迈耶尔在宇宙线的研究中， 又发现一种新的粒子。这种粒子具有很强的穿透力， 有的带正电荷， 有的带负电荷。他们测定了它的质量大约是电子质量的207 倍。这很像汤川秀树预言的介子， 于是就把它称作介子。那么它到底是不是汤川秀树所预言的介子呢？ 物理学家在没有充分确凿的证据时， 是不会轻易下结论的。深入的研究， 还确实发现了问题。开始， 有实验证实μ介子确是一种不稳定的粒子， 它的寿命只有百万分之二秒， 而且它在衰变后的确放出的是电子和中微子。这似乎更表明它就是汤川秀树所预言的介子了。不过， 更深入的实验表明， μ介子同核子之间的相互作用是非常的微弱。μ介子可以自由地穿过铅原子核几千万次而不同原子核发生作用， 它同质子碰撞发生反应的机会也是几万亿分之一。总之， 从实验的结果来看， 它不是汤川秀树所说的那种核力的媒介粒子。看来这是一个意外的收获， 但是它的到来却使得物理学家把注意力转向了汤川秀树的介子理论。寻找真正的核力媒介粒子的工作吸引了一些实验物学家。
这个工作看来是挺艰难的， 直到本世纪40 年代后期才有了结果。1947 年， 英国物理学家鲍威尔利用当时新出现的捕捉粒子的工具――核乳胶技术， 在探测宇宙射线的实验中， 发现了一种质量约为电子质量273 倍的新粒子， 称它为π介子。乳胶是一种特殊感光材料， 当带电粒子穿行于乳胶时， 会使它通过处的分子电离， 产生的离子经过显影呈现出黑色的晶粒。根据粒子径迹的晶粒密度的变化情况以及径迹的形状， 可以得到许多粒子的信息。鲍威尔对所获得的资料进行了细致的分析， 确认π介子与核子有很强的相互作用。这一结论是根据从送到高空中的核乳胶片上发现的π介子径迹末端有“星裂”现象而作出的。当π介子在原子核吸引下进入原子核， 并被质子所俘获， 质子就转变为中子。由于质子和中子的质量相差不多， 所以质子转变成中子并不需要从π介子那里吸收多少能量。这样， 在这个转变过程中， 与π介子相联系的能量就从原子核中解放出来了。这一能量的释放， 使原子核中的每个粒子都获得了能量， 于是它们向四面八方散去， 这就形成了原子核的星裂现象。π介子可以引起原子核的星裂， 表明它同原子核之间的作用是相当强烈的。
另外， 物理学家利用核乳胶片在高空中进行探测还发现， 从大气层外进来的宇宙射线中的高能质子， 撞击在核乳胶片的原子核上， 有π介子放出。这一现象也为π介子是核力媒介粒子提供了证据。
π介子就是汤川秀树理论预言的粒子。鲍威尔也因发明核过程的照相乳胶方法和发现π介子获得了1950 年的诺贝尔物理学奖。汤川秀树则在这之前一年， 因提出核力的介子场理论和预言介子的存在而成为日本第一个获得诺贝尔奖的科学家。
在确认π介子的同时， 物理学家还搞清楚了安德逊在1936 年发现的μ介子其实是π介子的衰变产物。μ介子除了质量较大以外， 其他性质与电子更为相近。由于μ介子实际上与核力没有什么关系， 为了区别于作为核力媒介粒子的π介子， 而不再称它为介子， 只称它为μ子。
说到μ子， 就不能不提到我国著名物理学家张文裕的研究工作与成就。张文裕在30 年代曾在英国剑桥大学卡文迪许实验室随卢瑟福学核物理， 并获得博士学位， 40 年他又从国内赴美国在普林斯顿大学从事研究。1947 ～1949 年期间， 他在研究宇宙射线和物质相互作用时发现， 一个带有负电荷的μ子以低速穿过物质， 由于受到物质原子核的正电荷的吸引有可成为原子核的“卫星”， 沿原子核外定点轨道绕核旋转。这一发现， 第一次突破了卢瑟福和玻尔以来的原子结构是电子在原子核外定点轨道上绕核旋转的模型。经过二年的实验证明， 铝、铁和铅原子核能将带负电荷的子俘获， 这个结果曾在1949 年和1977 年先后获得著名物理学家惠勤和吴健雄的确认， 他们都将张文裕称为这方面研究的先行者。
这种μ子与原子核组成的原子称为μ子原子， 这在国际上也称为“张原子”。张文裕以这一发现， 开创了奇异原子物理学这一新的研究领域。
§§第四章 探索粒子世界
中子发现以后， 物理学家提出了原子核是由质子和中子组成的新模型， 取代了质子和电子组成的旧模型。这是一个很大的进步。但是， 一个新的问题随之出现了。什么力量使质子和中子结合在一起， 形成的原子核。在原子中， 电子和原子核都带电， 是电磁力， 即电磁相互作用使它们结合在一起。原子核中， 中子不带电， 它和质子之间不会是由电磁力而结合， 可它们之间的万有引力又非常微弱， 不足以把它们15相互吸引到10 -米这么小的范围。再有， 原子核中的质子都带有同性的电荷， 为什么它们又没有因同性相斥而飞散呢？这一系列的问题， 启发物理学家意识到， 原子核中的核子( 质子与中子的统称) 之间必有一种新的、尚未被认识的力存在。这种与万有引力和电磁力都不相同的力， 被称为核力， 也就是强相互作用。这种神秘核力具有一些突出的特点： 它的强度大， 核力比万有引力、电磁力都大得多， 它的强度是电磁力的100 倍。它的力程短， 核力只在核子之间非常短的距离内起作用， 当两个核子之间距离小于十万亿分之三厘米时， 核力最强， 当距离大于这个数值时， 核力很快趋于零。它与电荷无关， 作用于质子与质子之间、中子与中子之间以及质子与中子之间的核力， 大致上是相等的。它具有饱和性， 每个核子只同它附近的几个核子之间有核力作用， 而不是同时与原子核内所有的核子发生作用。它还具有交换性， 当质子和中子通过核力发生作用时， 能够伴随着发生电荷交换， 质子把它的正电荷传递给中子， 于是质子变成中子， 中子则变成质子。
认识到核力的这些特点， 更激起了物理学家的一个疑惑： 核力是怎么发生的？ 只有当知道了核力的发生机制， 才能合理地解释它那些不同寻常的性质。
1935 年， 日本物理学家汤川秀树提出， 原子核内核子之间核力的发生， 同带电粒子之间电磁相互作用的发生是类似的， 也是核子之间不断交换某种媒介粒子的结果。19 世纪， 麦克斯韦的电磁场理论确定了带电物体之间的电磁力是通过电磁场， 也就是光波， 由一方以光速传递到另一方的。光子就是电磁力的传递者。汤川秀树认为， 由于核力的力程很短， 对应于核力的这种媒介粒子， 不会像光子那样没有质量， 而应该是一个质量较重的粒子。这就好比两个人在较远的距离上可以传递篮球， 而要传递较重的铅球就不容易了； 但是如果两个人之间的距离足够近时， 则可以传递较重的铅球。汤川秀树还估算了这种粒子的质量大约是电子质量的200 倍。由于它的质量介于电子和质子之间， 所以它被安德逊命名为介子。
根据汤川秀树的介子理论， 可以较好地说明核力的发生。如果是在质子与质子、中子与中子之间， 那么核力是通过交换中性的介子而发生的， 进行介子交换的核子除了能量有改变外， 其他性质都不发生改变。如果是在质子与中子之间， 那么核力是通过交换带电的介子而发生的， 进行介子交换的核子不仅双方的能量有改变， 而且核子的性质也发生改变， 质子变成了中子， 中子变成了质子。当时已经知道β衰变的结果是核子的转变， 而且β衰变过程中， 中子转变为质子时放出电子和中微子， 质子转变为中子时放出正电子和中微子。汤川秀树为了用介子理论合理地解释β衰变现象， 他还预言， 介子应当是一种不稳定的粒子。它在核子间进行交换时， 会发生衰变， 一个带正电的介子可以衰变为一个正电子和中微子； 一个带负电的介子可以衰变为一个电子和中微子。
汤川秀树的介子理论提出来之后， 开始并没有引起人们的重视。但是， 1937 年的一件事改变了物理学家的态度。
那是安德逊和他的合作者尼德迈耶尔在宇宙线的研究中， 又发现一种新的粒子。这种粒子具有很强的穿透力， 有的带正电荷， 有的带负电荷。他们测定了它的质量大约是电子质量的207 倍。这很像汤川秀树预言的介子， 于是就把它称作介子。那么它到底是不是汤川秀树所预言的介子呢？ 物理学家在没有充分确凿的证据时， 是不会轻易下结论的。深入的研究， 还确实发现了问题。开始， 有实验证实μ介子确是一种不稳定的粒子， 它的寿命只有百万分之二秒， 而且它在衰变后的确放出的是电子和中微子。这似乎更表明它就是汤川秀树所预言的介子了。不过， 更深入的实验表明， μ介子同核子之间的相互作用是非常的微弱。μ介子可以自由地穿过铅原子核几千万次而不同原子核发生作用， 它同质子碰撞发生反应的机会也是几万亿分之一。总之， 从实验的结果来看， 它不是汤川秀树所说的那种核力的媒介粒子。看来这是一个意外的收获， 但是它的到来却使得物理学家把注意力转向了汤川秀树的介子理论。寻找真正的核力媒介粒子的工作吸引了一些实验物学家。
这个工作看来是挺艰难的， 直到本世纪40 年代后期才有了结果。1947 年， 英国物理学家鲍威尔利用当时新出现的捕捉粒子的工具――核乳胶技术， 在探测宇宙射线的实验中， 发现了一种质量约为电子质量273 倍的新粒子， 称它为π介子。乳胶是一种特殊感光材料， 当带电粒子穿行于乳胶时， 会使它通过处的分子电离， 产生的离子经过显影呈现出黑色的晶粒。根据粒子径迹的晶粒密度的变化情况以及径迹的形状， 可以得到许多粒子的信息。鲍威尔对所获得的资料进行了细致的分析， 确认π介子与核子有很强的相互作用。这一结论是根据从送到高空中的核乳胶片上发现的π介子径迹末端有“星裂”现象而作出的。当π介子在原子核吸引下进入原子核， 并被质子所俘获， 质子就转变为中子。由于质子和中子的质量相差不多， 所以质子转变成中子并不需要从π介子那里吸收多少能量。这样， 在这个转变过程中， 与π介子相联系的能量就从原子核中解放出来了。这一能量的释放， 使原子核中的每个粒子都获得了能量， 于是它们向四面八方散去， 这就形成了原子核的星裂现象。π介子可以引起原子核的星裂， 表明它同原子核之间的作用是相当强烈的。
另外， 物理学家利用核乳胶片在高空中进行探测还发现， 从大气层外进来的宇宙射线中的高能质子， 撞击在核乳胶片的原子核上， 有π介子放出。这一现象也为π介子是核力媒介粒子提供了证据。
π介子就是汤川秀树理论预言的粒子。鲍威尔也因发明核过程的照相乳胶方法和发现π介子获得了1950 年的诺贝尔物理学奖。汤川秀树则在这之前一年， 因提出核力的介子场理论和预言介子的存在而成为日本第一个获得诺贝尔奖的科学家。
在确认π介子的同时， 物理学家还搞清楚了安德逊在1936 年发现的μ介子其实是π介子的衰变产物。μ介子除了质量较大以外， 其他性质与电子更为相近。由于μ介子实际上与核力没有什么关系， 为了区别于作为核力媒介粒子的π介子， 而不再称它为介子， 只称它为μ子。
说到μ子， 就不能不提到我国著名物理学家张文裕的研究工作与成就。张文裕在30 年代曾在英国剑桥大学卡文迪许实验室随卢瑟福学核物理， 并获得博士学位， 40 年他又从国内赴美国在普林斯顿大学从事研究。1947 ～1949 年期间， 他在研究宇宙射线和物质相互作用时发现， 一个带有负电荷的μ子以低速穿过物质， 由于受到物质原子核的正电荷的吸引有可成为原子核的“卫星”， 沿原子核外定点轨道绕核旋转。这一发现， 第一次突破了卢瑟福和玻尔以来的原子结构是电子在原子核外定点轨道上绕核旋转的模型。经过二年的实验证明， 铝、铁和铅原子核能将带负电荷的子俘获， 这个结果曾在1949 年和1977 年先后获得著名物理学家惠勤和吴健雄的确认， 他们都将张文裕称为这方面研究的先行者。
这种μ子与原子核组成的原子称为μ子原子， 这在国际上也称为“张原子”。张文裕以这一发现， 开创了奇异原子物理学这一新的研究领域。
§§第四章 探索粒子世界
