世界文化知识精华

第一节 理论知识

　　时空观是人们对于时间和空间的物质性质的认识，时空观的形成，经历了一段相当长的历史时期。

　　牛顿时空观

　　要描述一物体的运动情况，必须知道在某一时刻，该物体在某一地方，比如，要描述火车在铁路上的行驶情况，就要知道几点几分火车在某一地方，过一段时间火车到了另一地方。如果在相同的时间间隔内火车走的路程长，或者在相同的路程上，用的时间短，我们说这火车跑得快。火车在某一地方这就是火车的空间位置，什么时刻到那里，这就是描述运动的时间。时间反映着物质及其运动的持续性、顺序性和阶段性，而空间则反映着物质的伸张性和广延性。

　　时空观是人们对于时间和空间的物质性质的认识，时空观的形成，经历了一段相当长的历史时期。时空问题是一个既抽象又实际的根本问题。自古以来，又是哲学家和科学家十分关心和争论不休的课题。我国古代思想家们在研究自然、探索宇宙的过程中，对时间、空间的本质及其特性提出了不少卓越的见解，有许多即使在今天也仍然光彩夺目，令人惊叹不止。

　　在我国古代典籍中，最早明确提出时间、空间概念的是《管子》一书的《宙合》篇，它指出，世界万物都包纳在天地之中，而天地又包纳在表示时间、空间的“宙合”之中，“宙”即指时间，“合”即指空间。到先秦时期，对时间和空间更有了进一步的认识。其中研究得最深入、最细致的要数后期墨家。他们在《墨经》中对时间、空间给出了更明确的回答，“宇”即空间，包括东、南、西、北四面八方。“久”同“宙”包括现在、过去、早晨、黄昏。又认为事物的运动，必定经历一定的空间和时间，由此时此地，到彼时彼地。这里比较明确地指出了宇宙空间和时间的变动是密切相连的。

　　在古希腊文化的兴盛时期（公元前7世纪到3世纪），人们不仅对物质运动的观察中提炼出时间和空间的抽象概念，同时还对时间和空间的性质做出多方面阐述，亚里士多德第一个全面而深刻地研究了时间和空间问题。他认为“时间属于运动”，时间是“运动的数目”，而空间像“容纳物体的容器一类的东西”，当它所包容的事物离开或消亡时，空间仍然留下，并不随之消失。

　　到了16、17世纪，人类对时空的认识进入以哥白尼、伽利略、牛顿为代表的绝对时空时代。在牛顿的《自然哲学的数学原理》一书中，他第一次对时间和空间提出了明确而又抽象的论述。他写道：“绝对的，真正的和数学的时间在自身流逝着”，“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”。在牛顿看来，空间像一个大容器，它为物体运动提供了一个场所，物体放进去也好，取出来也好，这个空间本身并不会发生什么变化。例如：空间像放满水的游泳池，供人们游泳，人们来游泳，游完走了，游泳池依旧，而时间像一条川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生亦好，这条河流总是不断地、均匀地、不变地流逝着。总之，按照牛顿的观点，时间和空间是独立于物质运动之外，不受物质运动影响的，而具体物体的机械运动，则是在这种绝对的时空背景上进行的。

　　在绝对时空观的基础上，在具体描述物体运动的空间位置时，我们必须选择一个参考物或参考系，例如：描述一小球在地面上的运动，可选地面为参考物，如要描述地球对于太阳的运动时，则可选太阳为参考物。为了定量描述物体的空间位置，往往还要选一坐标系，一般选笛卡儿坐标系，即3个互相垂直的坐标系。由于同一物体对于不同坐标系（参照物）的空间坐标是不同的。它们的空间坐标间存在一种变换关系，这关系即为伽利略变换关系。

　　在各坐标系中的时间标准是同一的，因为存在着一个绝对的时标。

　　在牛顿力学中，惯性参考系占有特殊的地位，因为只有在惯性参考系中牛顿三定律才成立。天体运动的研究结果表明，以太阳中心为原点，以指向任一恒星的直线为坐标轴的参考系，对于研究太阳系内的物体运动来说是一个很好的惯性系。对上述惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性参考系。

　　当你坐在一辆行驶平稳的作等速直线运动的汽车或轮船上时，如果窗户用窗帘挡着（或者是在夜间）看不到两边的景物，也听不到马达的声音，这时你就很难确定这车或船是在行走还是静止着。如果你丢一球，则用同样的力气朝车（或船）头丢与朝车尾丢一样远；作立定跳远，则朝车头与车尾跳的距离与你在地面上跳是一样远。若使水滴从顶篷上往下滴，你将看到水滴是垂直下落，决不因为车在行走而落得比车静止时更向车尾一点；如果你在大海轮上打乒乓球，如果乒乓桌是沿着船头尾方向摆着，你会感到在哪一边打乒乓球都一样，并不因为你从船头一边打向船尾一边会打得远一点。这表示在一个作等速直线运动的车（船）内部，不能借助于任何力学实验来决定该车（或船）的速度，也不能确定这车或船是在作等速运动还是静止。这是一条力学原理。

　　伽利略于1632年在一个关闭的船舱内观察这一现象，他写道：“在这里（只要船的运动是等速的），你在一切现象中观察不出丝毫的改变，你也不能根据任何现象来判断船究竟是在运动还是停止着。当你在地板上跳跃的时候，你所跳过的距离和你在一条静止的船上跳跃时所跳过的距离完全相同。也就是说，你向船尾跳时并不比你向船头跳时——由于船的迅速运动——跳得更远些，虽然当你跳在空中时，在你下面的地板是在向着和你跳跃相反的方向奔驶着，从挂在天花板下的装着水的酒杯里滴下的水滴，将垂直地落在地板上，没有任何一滴水落向船尾方向，虽然当水滴还在空中时，船仍在向前走。苍蝇将继续自己的飞行，在各个方向都一样，决不会发生苍蝇（好像它们疲倦地跟在疾驶着的船后）集聚在船尾方向的情形。”这个原理叫做伽利略相对性原理，也叫力学相对性原理。

　　伽利略相对性原理，当时也曾回答了哥白尼地动学说反对者对地动说的责难，因为生活在地球上的人无法通过地球上发生的力学现象来判断地球是静止还是在运动的。

　　爱因斯坦的相对论把这个结果推广，并断言，在一系统（如车或船）内部所作的任何实验（不论是电学的、光学的或其他实验），都不能决定这系统的等速直线运动状况。

　　相对论时空观

　　19世纪中后期，由于人们对电磁学（包括光学）的研究不断深入，将牛顿的绝对时空观与力学相对性原理推广来说明电磁现象时，出现了种种矛盾与混乱。

　　由于麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了电磁波的存在。然而，当时的电磁理论是建立在“以太”概念基础上的。所谓“以太”是假想的一种充满整个宇宙空间的特殊介质，电磁场（包括光在内）只不过是这种特殊介质——“以太”的弹性表现，光和各种电磁波都是“以太”中的弹性波，就像声波是空气中的弹性波一样。从空间性质来看，一切物体都在“以太”中运动，而“以太”自己却保持不变，这样一来，“以太”就具有绝对空间的性质。麦克斯韦电磁理论只对“以太”这个参考系成立。“以太”充满宇宙，地球就在“以太”中运动，因此人们就想办法测量地球相对“以太”的运动速度。这项工作从19世纪中期开始，不同学者以不同方式来寻找，其中最著名的是1887年的迈克尔逊—莫雷实验。但是无论实验在不同的季节和不同的地点进行，还是为相同目的而进行的其他实验，结果都是一样：探测不到地球通过“以太”的运动。

　　迈克尔逊—莫雷实验的负结果得出两个结论：第一实验表明“以太”没有可观测的性质，使得“以太”的假设站不住脚，一度被人重视的概念落得被遗弃的结局。第二提出了一个新的物理原理，在自由空间中光速处处相同，与光源及观察者的运动无关。

　　在分析了不存在普遍适用的参考系所包含的物理后果，1905年爱因斯坦创建了狭义相对论，处理有关惯性参考系的问题。

　　狭义相对论是以两个假设为基础的。

　　第一个假设是：在所有互相以恒定速度作相对运动的参考系中，物理定律可用形式相同的方程式来表示。这一假设表明了普适参考系是不存在的。

　　如果物理定律对于作匀速相对运动的不同的观察者具有不同的形式，那么，就可由这种差别来确定哪一个物体在空间是“静止”的，哪一个是“运动”的。但是，由于没有普适的参考系，这种区别在自然界不存在，所以才有上述假设。

　　第二个假设是：对所有观察者来说，在自由空间中光速为常数，与观察者的运动状态无关。这个假设是直接从迈克尔逊—莫雷实验以及许多其他实验得来的。

　　初看起来，这些假设并不过分。实际上，它们几乎完全推翻了我们日常经验所形成的直观的时空概念。用一个简单的例子可以说明这一点。

　　设有两只船A和B，A船静止在水中，B船以恒定速度运动，当B船掠过A船旁的瞬间，两船间发出一闪光。根据狭义相对论的第二个假设，光由闪光点均匀地向各个方向传播，根据狭义相对论的第一个假设，对于位于两船中的两个观察者来说，光的传播速度是相同的，两只船上的观察者一定会看到相同的现象。尽管由于B船作等速运动，B船中的观察者相对于闪光发射点的位置在变化。但二人都看到一个以自身为中心的向外扩展的光球。

　　让我们作一个熟悉的类比，设在晴朗的天气里，平静的湖面上有两只船，当它们会合时，有人自一船向水中投下一石块。于是有一圆形波纹向四周扩展开来，波纹的形状对每只船上的观察者看来是不同的，只需看一下他是否处在波纹中心，每个观察者就可以断定他是否相对于水运动。水本身是一个参考系，在其中运动的船上的观察者测出相对于自身的波速，在不同方向上有不同的大小，这和在静止的船上观察者情况不同，他测出波速各方向是均匀的。在水中的运动与波动，和在空间的运动与波动完全不同，认清这一点是很重要的。水本身就是一个参考系，而空间则不是，水中的波速随观察者的运动而异，空间中的光波速度则不随观察者的运动而变。

　　要解释两只船上的观察者看到同样的扩展的光球这一事实的唯一办法，是认为，在他人看来，每个观察者的坐标系要受到他们的相对运动的影响。

　　在狭义相对论的时空观认为：（l）不存在绝对的空间和绝对的时间。（2）空间、时间与在其中运动的物质存在着密不可分的联系。（3）空间和时间是紧密相连系的。

　　分子的结构

　　我们眼、耳、鼻、舌、身所感受的千千万万种物质，都是由不到一百种原子组成的。一定种数和数目的原子，按照一定的比例和方式化合成分子，分子再堆集成物质。物质就是通常做成物体的材料。对任何东西你所能得到的最小数量就是一个单位分子，因为如果你把一个分子分成它的组成成分——原子，那就不再具有原来的化学性质了，它可能会变成性质不同的、相当不稳定的物质。例如填充氢气球的氢，是由许多氢分子集合而成的，每个氢分子是由两个氢原子化合而成的。水是由两个氢原子和一个氧原子组成的分子，水分子的3个原子结合成等腰三角形，等腰三角形的顶角为105，其结构形式，在室温下，水是一种流体，而氢和氧都是气体，若把像水这样的分子分成它的原子，那可就完全不一样了。

　　化学反应就是原子重新结合成新分子的变化，在化学反应中旧分子已经打碎，但是原子则没有被打碎，整个原子从旧分子转移到新分子中，所以原子是物质在化学反应中不会分割的最大单元，分子则是物质能够独立存在的最小单位。

　　分子大小的范围是：小到像氢分子和水分子那样，只有很少几个原子；大到像大的有机分子那样，是几万个原子的复杂组织。我们可以把原子看作是分子的基本建筑材料，而分子则是微观世界的楼房和机器。有些分子结构是原子高度重复、循环的组织结果，形成晶体或金属——一种刚性的固定框架。这就是固体，另一些分子摆脱了与它们邻居间化学键的结合，并以随机方式自由运动，从而构成气体。仅部分地摆脱化学键结合的分子可彼此滑过对方，这就形成液体。

　　也许有人要问：为什么两个氢原子而不是3个或4个氢原子结合成一个氢分子呢？原来它是与原子中的电子状态有关的，电子不仅绕原子核运动，还会绕通过电子中心的轴线转动——称为电子的自旋，就好比地球除绕太阳公转外，还绕通过地球中心并对着北极星的轴线自转。电子带负电，电子自旋使得电子像个小磁铁，两个电子的小磁铁南北极对着排列时，它们同时出现在氢分子的2个核之间的机会就大大增加，把两个氢核牵引在一起构成氢分子。每个氢原子只有一个电子，就好像它只有一只手能够同另一个氢原子的手拉住，没有手再与其他氢原子拉手，所以只能是两个氢原子结合成一个氢分子。

　　我们吃的食盐分子，叫氯化钠分子，它们是用另一种方式结合的，钠原子丢失一个电子变成带正电荷的钠离子Na+，氯原子得到钠丢失的电子变成带负电荷的氯离子Cl-，正负离子靠库仑力吸引在一起，食盐是固体，是由许多氯化钠分子聚集在一起的，仔细观察食盐块是呈立方形的，叫食盐晶体，它是由氯离子和钠离子有规律交替地紧密堆集起来的。

　　分子还可以用另一种方式聚合在一起，即通过所谓氢键，水就是由水分子通过氢键连成大小不等的分子集团的。氢键普遍地存在于自然界中，我们身体里的蛋白质分子是很大的分子，它主要由碳、氢、氧、氮等原子化合而成的。蛋白质分子像扭着的橡皮梯子，梯子的横杆就表示氢键。

　　由一个原子构成的分子称为单原子分子，如氦分子；由两个原子构成的分子称为双原子分子，氢分子和氧分子都是双原子分子；由三个或三个以上原子构成的分子称为多原子分子。水分子是三原子分子，做肥料用的氨分子是由三个氢原子和一个氮原子构成的四原子分子；大的有机分子可有几万个原子构成的，这些都是多原子分子。

　　我们知道，原子中的电子在不停地运动，原子、分子也在不停地运动，分子运动有三种形式：平动、转动和振动。平动就是整个地移动。风就是空气分子平动而形成的。分子中各个原子在其平衡位置上往复作小范围的移动，称为分子振动，所谓原子的平衡位置就是原子在分子中的平均位置。燃烧煤生成的二氧化碳分子，是由一个碳原子和二个氧原子结合成的，三个原子排成一条直线，它们可以作弯曲振动和伸缩振动，二氧化碳激光器就是利用二氧化碳分子的振动运动实现的。分子的转动，就是分子绕通过其自身内某一点的轴线转动，像自行车轮绕通过中心的轴转动一样。目前正在利用分子的转动运动实现远红外激光器，这种激光器对于微波通讯和红外遥感探测等方面都很有用处。

　　分子的微观世界是一个刚开始揭示的新前沿，目前科学家们已研究出了分子结合的方法，并有了计算机协助处理大批量资料工作，这对确定大分子结构这项工作很有帮助，开发极大分子的世界还刚刚起步，我们相信，用计算机和其他技术武装起来的科学家们在这个世纪将会推动功能和宗旨上都更卓越的、时兴的分子大厦。

　　原子的结构

　　很久以前，人们就开始猜想表面上看来是连续的物质，具有一定的微观结构，及至一个半世纪以前，这种猜想一直没有具体的形式。当19世纪的科学家们采纳化学元素是由原子组成这一概念时，他们对原子本身实际上毫无所知。1895年电子被发现，并认为所有的原子都含有电子，这对原子结构提供了第一个重要的信息，电子带负电荷，而原子本身是中性的；因此每个原子必定含有足够的带正电荷的物质，以与电子的负电荷平衡。此外，电子比原子轻几千倍，这表明原子中带正电荷的成分几乎提供了原子的全部质量。

　　1898年汤姆逊假设原子是一个内部嵌埋着电子的带正电物质的均匀球体，在当时，他的假设看起来是完全合理的，他的模型被称作汤姆逊葡萄干布丁（类似有葡萄干的面包）的原子模型。

　　要知道葡萄干布丁内是些什么东西，最直接的方法就是设法插入其中，盖革和马斯登根据卢瑟福的建议于1909年进行的实验中，用某种放射性元素自发辐射的快速α粒子（即氦的原子核）作为探针，盖革和马斯登把放射粒子材料样品置于铅屏后面，铅屏上有一小孔，以产生一束狭窄的α粒子束。将这束α粒子垂直地投射到薄的金箔上，金箔的另一侧，放置一个可移动的硫化锌屏，当α粒子打到它上面时，便可产生可见的闪光。人们曾预料，如果汤姆逊葡萄干布丁式的原子模型成立的话，大多数α粒子会沿直线通过金箔、其余的至多只发生轻微的偏转。

　　盖革和马斯登实际得到的结果是：大多数射出的α粒子的确没有发生偏转，有些则以很大的角度散射，极少数（八千分之一）甚至向后散射。因为α粒子相当重（它的质量为电子质量的七千多倍），而实验中所用的αＷ是以极高的速度飞行的，显然，只有很强的力作用在α粒子上，才能使它产生这样明显的偏转。当卢瑟福知道这个结果时觉得实在难以置信，他经过长时间的思考，进行了严格的数学推导，终于在1910年，即在马斯登的实验之后一年多，作出了原子有核的决断，认为原子是由很小的原子核（原子的正电荷和几乎全部的质量都集中在它身上），和与核有一定距离的电子组成的。

　　利用卢瑟福散射实验，当α粒子与原子核对头相碰时的最小距离可以估计出原子核大小的上限、计算结果表明，原子核的半径约为10-14米，即一万亿个原子核排起来约与指甲盖那么宽，而原子的半径约为10-10米，所以原子核占整个原子半径的以下。

　　在卢瑟福原子模型中，核外电子将是怎么样呢？如果电子是静止的，则电子将被原子核所带的正电的静电力吸至原子核中，所以静止是不可能的。

　　如果电子绕核运动，像行星绕太阳运动那样，从动力学的角度看，电力在这里作向心力，这是可能的。但是，电磁理论指出，加速电荷要以电磁波的形式辐射能量，作曲线运动的电子要受到加速，因而要不断地损失能量，将很快地以螺旋形降落到原子核上。无论什么时候作出的实验检验，都已表明电磁理论的预言总是和实验相符的，同时各种原子亦是稳定存在。这一矛盾只能表明：在宏观世界里适用的物理规律——经典物理学，在原子的微观世界里不再成立了。经典物理学失败的原因在于它只是片面地采用“纯”粒子和“纯”波动的抽象概念来研究自然界。如果我们研究的是原子世界，就必须把波的粒子行为和粒子的波动行为都考虑在内，在原子的微观世界里，它们服从量子理论。

　　原子中最简单的是氢原子，它中间是个只有一个质子的原子核，核外有一个电子，电子并不像行星围绕太阳那样在某一轨道上运动。由于电子既具有粒子性又具有波动性，我们只能求出在某处找到电子的几率，在图中通过一些雾点表示几率分布的大校在几率密度大的地方，雾点要密；反之雾点就希这种雾点的疏密分布俗称电子云。电子云并不表示电子实际上是云状的，电子云是电子几率分布的一个形象化名称。

　　在自然界中有92种元素（如果加上人工方法获得的元素，总数已达110多个），它们的物理、化学性质千差万别，当然其中也有一些它们具有相似的物理、化学性质。门捷列夫在前人工作的基础上，对各种元素的化学和物理性质，经过长期研究后，于1869年发现，如果将元素按原子序数排列起来，则元素的物理、化学性质呈现出周期性的重复，他根据元素的这种周期性，将元素分成7个周期，列出一个周期表。

　　为什么元素的性质会呈现周期性的变化呢？这与原子中的电子的排列与分布有关。

　　原子中的电子是以一定的壳层与分壳层排列的，它的第一壳层可以排2个电子，第二壳层8个，第三壳层18个，第四壳层32个，第五壳层50个，第六壳层72个电子等等，由于电子的排列需满足一系列规则，所以形成第一周期2个元素氢与氦，第二周期8个元素，第三周期8个元素，第四周期18个元素，第五周期18个元素，第六周期32个元素，第七周期尚未填满。从周期表中我们可以得出以下的结论。

　　（1）元素的周期性，可以按照原子核电荷增加的次序和电子按一定规律分布来解释。

　　（2）元素的化学性质，主要是由原子最外壳层中的电子数，即价电子来决定。8个价电子的惰性气体原子特别稳定。一个价电子的碱金属原子（如锂、钾、钠等元素），很容易失掉这个电子而成为正离子，7个价电子的卤素族元素（如氟、氯、溴、碘等元素），很容易从外界掠取一个电子以满足8个电子数而成为负离子，所以碱金属和卤素族元素都是最活泼的化学元素。

　　（3）化学元素的性质与其原子核的电荷数有周期性的关系。

　　量子世界

　　我们知道，原子有两个基本组元——原子核和围绕它的电子群。电子是怎么回事？它该归到哪儿？物理学家们今天知道，电子是新的一组粒子的头一个成员，这些粒子都有同样的1/2自旋，总名称都称为轻子。别的一些轻子的名称是：难找的中微子、μ（读谬）子和τ（读托）子。

　　为什么物理学家们要费事地把轻子同其他粒子，如强子和组成它们的夸克区别开来单独分类呢？强子之间的相互作用是强烈的，这反映了束缚夸克在其内的力是很强的。相反，轻子的相互作用相对较弱，并且构成了量子世界的一个相当大的角落。

　　轻子和夸克尽管在许多方面是相似的，但轻子不像夸克，它们能以自由状态存在。例如，电子是由弱电磁力约束在原子中的，易于解放出来。物理学家们已能获得自由电子束，自由中微子束和自由μ子束。轻子，比如电子，是真实存在于世界上的。

　　下面我们分别介绍这些轻子：（l）电子，基本量子中最引人注目也最易动的是电子，早在1897年它就已被确认为一种粒子了。它很容易从原子核的束缚中解放出来，在所有带电量子中，它的质量最轻——它是真正“轻快”的轻子。电子技术是人类掌握电子的成果。

　　在所有基本量子中，对电子是了解得最透彻的。它似乎是一种绝对稳定的粒子。如果我们承认电荷是绝对守恒的（如今多数物理学家都相信的确是这样的），那么，因为电子是具有最轻电荷的粒子，所以它不再能衰变为更轻的粒子了，没有东西能把它的电荷带走。由量子电动力学的理论指出，电子是真正的点粒子，没有进一步的结构。

　　（2）μ子，1937年尼得梅耶和安德生应用核乳胶，与此同时，斯纯特和斯特威生应用云雾室在研究宇宙射线时发现了这种新型的粒子，称为μ介子，或μ子。

　　宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流，它的起源目前还不清楚。在初级宇宙射线中质子约占85％，α粒子约占2.5％，其他的原子核约占1.5％，电子约占l％。当初级宇宙射线到达地球的大气层时，由于与大气层中的原子相碰撞，要产生大量的新粒子，称为次级宇宙射线。这部分次级宇宙射线可分两支，一支射线用10厘米厚的铅板即可挡住，称为软成分，它们是由电子和正电子组成；另一支射线可穿透1米厚的铅层，称为硬成分，即为μ子组成。此时此刻，正有大量μ子在你周围飞过并透过你的身体。如果我们以特殊的眼镜装备起来，就能看到周围μ子的径迹，只要这径迹能延续一分钟，就能形成围绕我们和透过我们的近乎垂直的致密线条丛。

　　μ子同电子一样，但有一点不同，即它的质量比电子约大207倍，所以μ子是胖电子。另外，它是不稳定粒子，它们的平均寿命是2.2×10－6秒，衰变产物之一是电子，另有两个中性粒子产生，它们的质量几乎都等于零，称为中微子。

　　μ子有带正电的（μ+），也有带负电的（μ-），二者互为反粒子，它们除有相反的电荷外，质量相同，自旋都是1/2.

　　（3）中微子，20世纪30年代，研究原子核放射性衰变的物理学家们碰到了一件苦恼的事，他们经过精密的测量发现，原子核蜕变之前的能量比蜕变之后大。这是对神圣的质量能量守恒定律的冒犯。1931年理论物理学家沃夫冈·泡利假定这是一种难找的新粒子把检测不到的能量带走了。当泡利提出这种假设之时，听起来好像是一种骗术。但是后来终于直接找到了这些粒子。这些粒子与电子、μ子不同，它们没有电荷。费米给它们起的名字叫“小小的中性粒子”——中微子。

　　中微子确是难找的轻子。它们在质量上比电子轻（事实上还不清楚它们究竟有没有质量），并且它们与其他物质只有极其微弱的相互作用。它们常产生于其他粒子的衰变残余物中。例如μ子可衰变为一个电子，一个中微子和一个反中微子。由于它只有极端微弱的相互作用，所以中微子一旦产生，就难于使它停止了。它可以不受任何阻挡地穿过任何物质。由于中微子的穿透性如此之强，因而可以用它们探测质子和中子的深部结构，以了解许多有关这些粒子内夸克的情况。

　　物理学家们惊奇地发现，共有二种中微子，一种与电子相联系，而另一种则与μ子相联系。他们的名称是电子中微子Ue和μ子中微子Uμ（U读纽）。

　　中微子还有一个特点是左手性的，就是中微子的自旋方向和中微子的运动方向间，顺着运动方向看，中微子的自旋是逆时针的，或者以左手的大拇指表示运动方向，则弯曲的四指为自旋方向，所以说它是左手性的。多数基本量子都是右手和左手形式的对等混合物，而中微子不是。

　　为什么中微子这么古怪？只有左手性中微子存在，这一事实揭示了对宇称守恒的背离。宇称守恒法则是说：如果一种粒子是存在的，那么，它的镜像（左手在镜子中的像，就是右手，即镜子中左边变为右边，右边变为左边）也能存在。左手性中微子的镜像就是右手性中微子，可那鬼东西就硬是不存在。两位华裔美国物理学家杨振宁和李政道，从细节上论证了宇称守恒在这里是行不通的，并建议做一个实验来检验他们的假说。哥伦比亚大学的华裔物理学家吴健雄和她的同事们的实验证明杨、李是对的。杨和李为他们新奇的工作赢得了1957年诺贝尔物理奖。

　　中微子有无质量的问题一直是物理学家关心的问题。1957年杨振宁、李政道提出的理论要求中微子质量一定为零。可是现在实验认为中微子质量可能不等于零。就理论物理学家方面的推测而言，认为中微子可能有一小点质量。如果真是这样，对研究整个宇宙的宇宙学来说，意义是深远的。如果中微子具有哪怕只是电子质量的一小部分，它们就提供了宇宙的大部质量，据估计将占整个宇宙质量的90％，这是一种不可见的质量，因为没有人能真正看到这种中微子“背景辐射”。宇宙质量的另外10％是星座和星系形式的可见物质。中微子由此可看作是宇宙的“丢失质量”———靠这个总量来制止宇宙的膨胀，并最终导致其收缩。中微子可能成为把宇宙维系在一起的胶。

　　1992年美国科学家的试验表明，有些中微子可能具有1.7万电子伏特的质量（即0.00033mｅ），如果这一点被证实，将对粒子物理学和宇宙演变理论产生深远影响。究竟中微子是否真正有一小点质量？现在正进行着精密的实验以解决这个重要问题。

　　（4）τ子，τ（读托）子发现较晚，在1976年，斯坦福附近物理学家们在正负电子对撞环里看到了一种奇特的效应，实验组马钉柏耳认为，这些效应可能由一种新粒子所引起。1977～1978年，在德国汉堡，用类似的实验设备获得了肯定的证据，很清楚是一种新的、质量很大的轻子，其质量是电子质量的3500倍。同电子和μ子一样，很可能也有一个无电荷的左手性中微子与τ子相联系，虽然对此还没有直接的证据，因为τ子是那么重，所以它能衰变为许多较轻的其他粒子加上伴随它的中微子。如果说μ子是个胖电子，那么τ子就是个胖μ子。

　　到目前为止轻子有电子、μ子、τ子及它们相随的中微子。

　　一切轻子的特点是：从未揭示出它们有任何内部结构，表现为纯粹的点粒子，是真正的基本粒子，而不是复合粒子。

　　神秘的磁单极

　　电和磁，是人类很早就认识到的两个现象，到19世纪，知道它们之间是有联系的，电动能生磁，磁动能生电。但是电与磁之间亦不完全对称，电有正电、负电，且正电和负电能单独地存在；而当说到磁体时，磁南极和磁北极总是存在于同一磁体中，没有只有一个单独的磁南极或单独的磁北极的磁体。对此，人们始终在探索着，研究着。

　　近代对磁单极的讨论，开始于1931年狄拉克的一篇文章。狄拉克指出：如果自然界有磁荷存在，则任何粒子的电荷就必须是量子化的，即必须是电子电荷的整数倍。

　　自从磁单极理论提出来之后，几十年过去了，大部分物理学家还是持怀疑的态度，原因是一直没有发现它存在的迹象。当然还是有一部分人在探索着。1974年前苏联物理学家颇拉科夫和芬兰物理学家特·胡夫特指出：磁单极的质量超过质子质量的5000倍。在现今的大统一理论中认为磁单极的质量约是质子质量的1016倍，达到20毫微克（2×10－8mg）。1978年济耳多维克和克罗波夫（苏联科学家）指出：在宇宙大爆炸的一瞬间，产生了能量极高的磁单极。但是由于大爆炸引起的膨胀，使宇宙物质的温度很快下降，这样，极性相反的磁单极就易于发生湮灭，使得宇宙中幸存的磁单极寥寥无几。在大爆炸后约l％秒，宇宙中磁单极的密度大约是4×1013立方米空间中有一个。

　　在理论上预期磁单极具有如下的性质：

　　1.它具有极强的电离能力，在较高速度下，磁单极的电离能力是电子的18000倍，在低速下，电离能力更大。这样，磁单极在通过物质时将很快地损失能量。当它通过乳胶时，将会留下一条电离极强的径迹，而且直到径迹终了处电离都没有什么变化。

　　2.它在磁场中能被加速。在磁场强度为1000奥斯特的磁场中，每走1厘米，可得到41兆电子伏特的能量。

　　3.它被反磁质所排斥，而被顺磁质吸引，把它嵌进反磁物质，例如石墨，所需做的功估计为十分之几电子伏特；而把它从顺磁物质（例如铬的晶体）中拉出所需做的功大约是10电子伏特。

　　4.它可以和顺磁性的原子或分子结合成束缚系统，结合能的大小和化学结合能相当。

　　5.它的质量异乎寻常地大。

　　根据这些性质，人们设计过这样一些实验：（l）如果从宇宙来的磁单极落在地球上，那么它将很快地由于电离损失能量而停留在地球表面，把地表的岩石粉碎，置于强磁场中，磁单极将被吸出，收集在磁场末端的乳胶中，将乳胶显影，便可看到它留下的径迹。（2）把乳胶叠层带到高空收集磁单极的径迹。（3）利用磁通量的改变能够感应电流的原理，使一可能含有磁单极的岩石样品多次经过一个超导线圈，使感应电流累积到可测量的程度。

　　1975年夏，美国加利福尼亚大学和休斯敦大学组成联合科研小组，他们把一个装有聚碳酸脂固体探测器和乳胶的多层片叠在一起，由气球放到40千米的高空飘浮62小时后收回，在探测器和乳胶中找到一根有着强电离的径迹。而且在整条径迹上，电离没有什么变化。这根径迹，被解释为质量大于质子质量200倍以上的磁单极留下的。对他们的结果，许多人持怀疑态度，因为一是这种解释在统计学上不合理，二是它可被解释为一个很重的原子核或者一个很重的反粒子留下的径迹。

　　1982年，美国斯坦福大学的卡布里腊做了一个十分精巧的实验，他把一个直径为5厘米共4匝的铌线圈降温到绝对温度9K，使之成为超导线圈，将它接在一种极为灵敏的磁通计（超导量子干涉仪）的初级线圈上，当磁单极穿过铌线圈时，在线圈中感应出一个微弱的电流，然后由量子干涉仪记录。

　　为了屏蔽其他杂散磁场的干扰，整个探测装置包在一个直径为20厘米，高度为100厘米的超导铅箔筒内，由于迈斯纳效应，超导体排斥磁力线，所以，例如地球磁场等杂散的磁力线都不能进入筒内，这就保证只有当磁单极穿过探测线圈时才会感应出电流。1982年2月14日下午l时53分，卡布里腊的仪器测到磁通量突然增高，经过反复分析研究，卡布里腊认为是磁单极进入锯线圈引起的变化，到1982年3月11日为止，这个实验共做了151天。

　　这是一个可能的磁单极事例。但是一个事例并不能作出结论。目前许多组物理学家正在继续进行磁单极的找寻。但迄今尚未有第一、二次事例的报导。

　　为什么对磁单极感到这么大的兴趣呢？因为它涉及最根本的物理问题。

　　果真能找到磁单极的话，电荷的量子化就能得到很好的解释，当今的物理学也会有一个较大的变化，电动力学、量子电动力学需要做必要的修改。对于宇宙起源的认识也会更深入一步。由于一个磁单极的质量相当于105个质子的质量，所以，宇宙中磁单极的数目对宇宙物质总质量的影响是很大的，而宇宙物质的总质量，都决定着宇宙的“命运”——是一直膨胀下去呢？还是膨胀速度变慢然后再收缩？总之，磁单极是目前高能物理学研究的中心课题之一，人们期待着它的性质得到实验上和理论上的澄清。

　　电荷单位知多少

　　人们很早就发现电现象，西汉末年（约公元20年前后）《春秋纬·考异邮》中就记载有“现吸涓（rao）”的话，意思是说，经过摩擦的现能够吸引微小的物体。记述了摩擦起电现象。很长时期以来，人们认为电荷是连续的，可以任意分割的。1895年发现了电子，测得它带有负电，后来发现了质子，它带有正电。那么它们各自带的电荷有多大呢？每个电子所带的电荷是不是电荷的最小单位？所有带电体所带的电荷是不是电子电荷的整数倍？为了回答上述问题，人们做了不少实验。

　　最早给人启迪的是1883年法拉第的电解定律，他指出电解1个“克当量”物质的用电量相当于96500库仑。就是说每一个单价离子到达电极还原为原子后，给予电极的电量为1.60×10－19库仑。这说明单价离子所带的电量是相同的。直接测出电子电量的实验是1909年密立根所做的著名的油滴实验，他的实验装置，A和B是两块平行水平金属板，上板A上有一小孔，使A板带正电，B板带负电，油滴由喷雾器喷出，由于摩擦油滴带负电，即油滴带一个或几个电子。当油滴由A板上的小孔掉入两板之间，当AB之间不加电场时，由于重力、空气浮力与阻力，使油滴匀速下落；当AB间加电场时，且电力大于重力时油滴上升，若电力、重力与空气阻力平衡时，油滴匀速上升，当用开关S使AB充电、放电时，油滴在A、B间上、下运动，由于别的原因（如宇宙线等）在A、B间产生离子，这些离子有可能与油滴相碰，使油滴上的电量改变。从而使油滴上升速度发生变化，测出速度的变化，计算出电子电量的最小单位为e＝1.60203×10－19库仑。1963年盖耳曼与茨威格提出强子由夸克组成的理论，预言夸克有多种。自1965年开始，斯坦福大学一直在进行着一项寻找物质上的自由分数电荷的实验。1977年斯坦福大学费尔班克教授等人用磁漂浮法测分数电荷，他们用直径为0.36毫米的铌——25％锆合金单股线绕成的超导线圈，浸泡在液氦中，用来产生的超导磁场将铌球悬浮在平行板之间，加上变化的电场以观测铌球的运动，其实质是一种大规模的密立根实验。他们用5个在铌基片上热处理过的瓷球和3个在钨基片上热处理的铌球作漂浮球，球的半径为0.011～0.014厘米。测得钨基片上处理的三个铌球的剩余电荷分别为（＋0.337±0.009）e；（-0.001±0.025）e和（-0.331±0.070）e。所有在铌基片上处理的铌球，有接近于零的剩余电荷，因此，他们的结论是：夸克是在热处理过程中从钨基片转移过去的。

　　后来他们继续研究，并一再发表肯定上述结果的报告。另一方面别人用其他方法，如用反馈悬浮静电计观测小铁圆柱的实验，和用改进密立根的方法所作的汞滴实验，都没有观察到分数电荷存在的证据。

　　由此可知，电量不能连续变化，只能取基本电量e的整数倍。电荷的这种只能取分立的、不连续的量值的性质，叫做电荷量子化。电荷的量子就是e，它等于1.60203×10－19库仑。它是电子或质子所带电荷的数值。至于分数电荷，1977年斯坦福大学实验组得到的结果，可以认为是分数电荷粒子存在的一个证据，但还有很多问题有待解决，只有进行更多的重复实验，才能取得一个正确的结论。

　　各种加速器

　　1919年人们发现用天然放射性元素钋发射的A射线（即氦的原子核）打入氮原子核，会使之变成一种新的元素的原子核。这一发现立即引起了许多人的注意，它为研究原子核内部结构，认识原子核和基本粒子的运动规律，开辟了一条新的途径。但是天然放射性物质发射的射线的强度比较弱，产生的粒子能量比较小，且粒子能量的大小不能调节，因此人们希望能用人工的方法产生高能粒子。从20世纪30年代起建起了各种加速器，从最初的静电加速器、回旋加速器开始，后又出现同步回旋加速器、电子感应加速器、电子同步加速器、质子同步加速器、强聚焦质子同步加速器、直线加速器和对撞机等多种类型。早期的加速器带电粒子的能量只有1～2Mev（Mev为百万电子伏特，1电子伏特是一个电子经1伏特电势差所获得的能量，所以1电子伏特=1.60×10－19焦耳）。而现在最大的质子加速器加速质子的能量已达到400Gev（10亿电子伏特叫1Gev）。加速粒子的能量在100Mev以下的加速器称为低能加速器，在核物理的研究、工业和医疗中有着广泛的应用；100～1000Mev之间的加速器，称为中能加速器，由于它多数用来产生“介子”（一种基本粒子），所以又称为“介子工厂”；1Gev以上的加速器则称为高能加速器，主要用来研究基本粒子。

　　对撞机与北京正负电子对撞机

　　加速器能提供能量很高的带电粒子（如质子、电子等），通过这些高能粒子束去轰击实验室里的静止靶，就像炮弹轰击坚固的堡垒一样，使靶中的基本粒子发生变革。显示出它们的内部结构和运动规律。但是高能粒子和靶内粒子之间的有效作用能，只占高能粒子能量的一小部分，大部分能量转化成使靶粒子向前运动的动能，这部分能量不参与高能反应，也就是说这部分能量浪费了，打靶的粒子能量越高，有效作用能所占的比例越小，高能粒子能量的利用率也越低。例如：一个1000Gev（1Gev=109ev）的高能质子同步加速器，它的质子束的有用能量仅为42Gev。由此科学家们深入研究想法解决这个问题。有人想出让两束能量相等的高能粒子相对碰撞，那么两束粒子的全部能量就都能用于高能反应，例如：当两束被加速的电子相互碰撞时，如果每束电子能量为2.2Gev，则其有用能量相当于一台19000Gev的电子加速器所产生的电子束轰击静止靶中的电子。因此60年代后期就出现了对撞机这种加速器。

　　常见的对撞机有正负电子对撞机，质子—质子对撞机，质子—反质子对撞机等。对撞机是加速器的发展。

　　我国自行设计建造的第一台北京正负电子对撞机，代号BEPC，已于1988年10月16日对撞成功了，该机于1984年10月7日奠基，邓小平同志亲临奠基破土，经过4年的艰苦奋斗，在我国高科技领域中结出了又一重大科技成果。北京正负电子对撞机是一台高能电子和正电子加速器，它是研究高能物理和同步辐射应用的重要工具。

　　北京正负电子对撞机由5个主要部分组成：注入器（电子直线加速器）、储存环、北京谱仪（探测器），同步辐射实验室和计算中心，其总布局：注入器是一台可将正负电子加速到1.1～1.4Gev的直线加速器，它由56根长3.05米的波导加速管和一些聚焦节组成，全长201米。它也是由40Mev的预注入器，150Mev的电子加速器和1.1～1.4GeV的正负电子加速器组成的。

　　储存环是由真空盒，高频加速站，40块弯转磁铁，68块聚焦磁铁，扭摆磁铁，校正磁铁等多个元件组成的一个中心轨道周长240.4米的椭圆形的环。正、负电子的注入点分别在长轴的两端，短轴的两端是正负电子束的对撞点。储存环的工作包括：正负电子积累，加速和对撞3个阶段。为了进行探测，在对撞点处装有探测器——一北京谱仪。北京谱仪是一座大型通用探测器，它犹如我们人类的眼睛一样能观察到对撞中微观世界的秘密，正负电子束流从谱仪中心穿过，该探测器能充分接收到碰撞瞬间产生大量新粒子的各种信息，经电子学系统和计算机处理得到这些粒子的种类、个数、动量、能量、飞行方向等参数。该谱仪长6米，高宽各7米，总重480吨，它由中心漂移室、主漂移室、飞行时间计数器、簇射计数器和尸子计数器等组成。

　　正如人类观察事物一样，光用眼睛还不够，还必须用大脑来分析，正负电子对撞机设有计算中心，这相当于人类的大脑作用，探测获取的信号要利用计算机进行分析处理，才能最后得到物理实验的结果。

　　为了充分发挥北京正负电子对撞机的作用和经济效益，在该机上建造同步辐射实验区。该区已建成3个光束线前端区，5条光线束和相应的8个实验站，可提供频谱从紫外光到硬X光（λ=0.5）的同步光，光子通量可达8×1010光子/秒。

　　北京正负电子对撞机为我国基础研究、应用研究、发展研究和技术应用提供了一个强有力的实验基地，它必将促进我国多种学科和尖端技术迅速向前发展。该机的主要指标以其高亮度（为美国同类装置的4~5倍），低能散射和运行的稳定性可靠性而处于国际领先地位。在25届国际高能物理会议上，大会主持人、诺贝尔奖金获得者里克特先生指出“北京正负电子对撞机是当今世界上这一能区中唯一亮度最高的对撞机。”宇宙射线

　　宇宙射线的发现，在自然科学史上是一件重大事件，发现宇宙射线的实验，也和科学上其他实验一样，不是一蹴而成的。人们经过漫长时间的摸索、思考、实践，才从模糊的意识中逐渐明确方向、改进方法、完善仪器，最终证实了宇宙射线的存在。

　　早在1785年，库仑就指出，放在空气中的带电体会逐渐丢失电荷，这是大气导电性的最早发现。但是，电荷为什么会自动丢失？这是一个谜。在其后的一个多世纪里，空气的导电性被认为是物理学中的一个难题而给搁置起来。直到1900年前后，由于物理实验技术的提高，并受到电子、X射线、放射性物质被发现的启发，人们才又把注意力集中到大气导电性的实验研究上，J。J。汤姆生、威尔逊、埃尔斯特、盖特尔以及其他科学家们在这方面做了很大的贡献。早在1901年威尔逊就曾设想“在干净的空气中不断产生离子是否可以解释为大气之外存在着辐射源。这种辐射源来的辐射可能像伦琴射线或阴极射线，但贯穿本领强得多”。遗憾的是威尔逊在1906年改变了想法，放弃了地球外辐射源的设想。

　　从1900年到1911年间埃伯特、伯威茨、哥克尔进行过若干次气球飞行，进行漏电率实验，得出“随着高度增加漏电率稍有增加”。1910年伍尔夫带着改进了的验电器爬上300米高的在巴黎的埃菲尔塔顶去测大气电性，得到结论是“若不是在大气的高层存在着另外的γ射线源，那就是γ射线在空气中的吸收率远比假定的要小得多”。

　　奥地利物理学家赫斯在1911~1913年连续3年内进行了10次气球飞行实验，得出正确的结论“目前观测的结果，完全可以用这样的假设来解释：高贯穿本领的辐射是从上空进入地球大气层的，直到大气层下层，仍能在密闭的容器中观测到所产生的离子的一部分”。

　　其后1922~1925年间密立根，斯旺和霍夫曼又做了一系列实验，特别是1925年在高山上的缨尔湖和箭头湖的雪水湖中的实验，使他们相信赫斯所发现的射线的确来自宇宙空间，于是密立根把这种射线命名为“宇宙射线”。

　　而赫斯由于发现了宇宙射线在1936年获得了诺贝尔物理奖。

　　现在大家知道，宇宙射线就是从宇宙空间飞来的高速原子核，它们的飞行速度接近光速。由于地球表面有大气层阻挡，这些高速原子核不能直接到达地面。当它们进入大气层后，和空气的原子核发生核反应而产生许多次级粒子。其中有一些高能次级粒子会一直到达地球表面，甚至会穿到地球深处。

　　这些每时每刻来到地球的宇宙空间的“来客”，有哪些特征呢？它们来自何方？现在知道宇宙射线中的高速原子核包括轻原子核和重原子核，几乎各种原子核都有，其中大部分是质子，其次是He核及Li、Be、B、C、N。O、F核等，其能量的数量级可达到1018电子伏特以上。

　　宇宙射线是在宇宙空间四面八方飞行的，我们地球接受到其中很少的一部分，对于高能宇宙射线来讲，地球上不同地点对准不同方向所测量到的强度是一样的，且强度几乎不随时间发生变化，也可以说在时间上是恒定的。但低能宇宙射线的强度则和测量地点、方向有关，而且随时间变化。目前的解释是：大部分高能宇宙射线可能起源于超新星爆发，当超新星（超过爆发前亮度一千万倍的新星，叫超新星）爆发时，向宇宙空间抛出大量的高能原子核。这些原子核在宇宙空间飞行时，受空间电磁场的作用，辗转到达地球，在这个过程中它们会和星际空间物质碰撞或发生反应。有人估计过，初级宇宙射线被抛出起直到到达地球，其间大约经过108年的“流浪”时间。因为它们是辗转到达地球的，所以在地球上看，几乎是各向同性的，而且时间上是恒定的。

　　至于低能宇宙射线，则明显地受地磁场的影响，且它们的强度与太阳的活动有关。

　　在地球表面上接收到的宇宙射线，不是初级的高能原子核，而是它们产生的次级粒子。初级宇宙射线和大气原子核反应，产生质子、中子、π介子（π±和π0）等强子，这些次级粒子又会在大气中引起新的核反应，这样重复地进行下去，直到强子能量小于1010电子伏特左右才停止。次级粒子有些是不稳定的，它们有一部分在飞行中衰变，例如中子衰变为质子、电子和电子中微子Vｅ；π+衰变为μ+子和μ子中微子Vμ；π0衰变为两个γ光子。

　　宇宙射线次级粒子能到达海平面的是μ子、电子、中微子，还有少量的质子和π介子等。极少数次级粒子如中微子和高能μ子，可以一直穿到很深的地下。

　　我国建国以来，在宇宙射线物理研究方面得到了比较稳定的发展，在宇宙射线高能物理和高能天体物理方面的研究工作都取得了一批较好的成果。

　　1953年中科院物理研究所在云南东川海拔3180米的落雪山上建立了宇宙射线实验站，1957年在北京和广州分别建立了宇宙射线强度观测站，20世纪60年代中又在落雪山站附近海拔3200米的山峰上建立了一个新的高山站。利用云室在高山上研究高能宇宙射线粒子与物质相互作用，研究了1011~1012电子伏特的高能现象。1972年获得了一个重质量荷电粒子事例。从1977年起，中科院高能物理所在西藏海拔5500米的甘巴拉山上建设了世界上最高的高山乳胶室。高能所与国内山东大学等和日本东京大学7所大学合作，开展了对能区为1015~1017电子伏特超高能核作用的实验研究，找到了至今国际上唯一的多心结构超低空γ族事例。1988年在怀柔建成塑料闪烁体构成的空气簇射阵列，对宇宙空气簇射进行长期观测，研究能量大于1015电子伏特的空气簇射的特性和观测超高能γ射线天体，另在云南昌明附近海拔2720米的王梁山及西藏海拔4300米的羊八井各建一个宇宙射线空气簇射观测站。另外还发展高空气球技术，广泛开展初级宇宙射线和空间天文观测等等。利用球载高能X射线望远镜系统获得蟹状星云20—200千电子伏硬X光子时间和能量的近百万组数据，经分析准确地得出了蟹状星云脉冲星硬X辐射周期，并在国际上首先成功地得到了天鹅座X—3的高能γ辐射。并发现了γ射线强度同X辐射强度的负相关现象，这一发现对于建立天鹅X—3的高能辐射区域模型和了解高能粒子加速机制提供了重要依据。总之经四十多年的发展，为我国宇宙射线物理研究的进一步发展创造了一些必要的条件。

　　物质波

　　电子是最早发现的一种基本粒子，1895年由J。J。汤姆逊在研究阴极射线时发现的，它在电磁场中将发生偏转，电子质量为9.109×10-31千克，带负电，电量为1.602×10－19库仑，是电量最小单位。电子的定向运动形成电流，如金属导线中的电流就是由于电子的运动形成的，人们可利用适当的电场和磁场，按照需要控制电子的运动，在经典物理中，一向把电子看作是一个质点。

　　到了20世纪，被看作是波动的光，由于光电效应，使人普遍承认光还具有粒子性，X射线的本性，由于德国物理学家劳厄在1912年发现了它的衍射现象，和英国物理学家布喇格父子成功地用于晶体分析，肯定了它的波动性，而美国物理学家康普顿进一步从X射线与电子的相互作用中确认了它的粒子性。1923年光的波粒二象性已经得到了全面认识。1923年法国物理学家路易斯·德布罗意大胆设想，既然光和X射线等电磁波有粒子性。为什么粒子不可以有波动性？他说：“整个世纪以来，在光学中，比起波的研究方法来，如果说是过于忽视粒子的研究方法的话，那么在实物粒子的理论上，是不是发生了相反的错误，把粒子的图像想得太多，而过分忽视了波的图像呢？”接着他提出了一个大胆的假设，认为不只是辐射具有波粒二象性，一切实物粒子（如电子、原子、分子……）也具有波粒二象性。

　　1927年戴维孙和革末用电子证实了德布罗意假说。他们设计了一个实验装置。由热灯丝K发出的电子，被电势差Ｖ产生的电场加速后，经小孔射出，形成一束很细的平行电子束，电子束射到晶体上，被晶面反射，反射后的电子束由集电器俘获，并提供了电流I，I可用电流计G测量。电子流强度I表证反射电子束的强度。实验时将集电器对准某一固定方向，改变加速电势差Ｖ，测出相应的反射电子流强度I。实验发现，当加速电势差，逐渐增加时，电子流强度并不单调变化，而表现出在某些Ｖ值时，I出现极大值，这表明，以一定方向投射到晶面上的电子束，只有具有某些特定速率时，才能准确地按照反射定律在晶面上反射。

　　上述实验结果与晶体对X射线的衍射情形是极其相似的，电子射线反射与X射线衍射的相似性，有力地说明了电子具有波动性。

　　G。P。汤姆逊，（是J。J。汤姆逊的独生子）几乎同时用另外的方法得到了电子衍射图形，电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当于10~45千电子伏，电子穿透多晶的金属薄膜（铝、金、铂等薄膜），得到圆环状的衍射花纹。为了说明观察到的正是电子衍射，而不是由于高速电子碰撞产生的X射线衍射，G。P。汤姆逊用磁场将电子束偏向一方，发现整个图像的平移，保留原来的花样。由此肯定是带电粒子衍射而不是X射线。

　　这些图形与X射线在粉末法中所得图形非常相似，与德布罗意波动力学理论预计的结论在5％的范围内相符。

　　1937年，G。P。汤姆逊和戴维逊一起，由于电子衍射方面的工作，共同获得诺贝尔物理奖。

　　电子衍射现象是电子具有波动性的有力证明，电子显微镜使微小物体成像就是根据这一性质制造的。电子衍射已经发展成一种研究物质结构的有效方法。

　　1930年分子束方法的创始人斯待恩和他的合作者用氢分子和氦原子证实普通原子和分子也具有波动性。

　　自由电子具有波动性可能还比较容易被人们接受，因为电子本身就是一种难以捉摸的微观粒子，波动性也就是它的某种特性。当证明氢分子和氦原子一类的中性物质同样也具有波动性时，就不能不使人们确信波粒二象性是物质的普遍性了。

　　在经典物理学中，波和粒子，一个是连续的，一个是分立的，二者是完全不能相容的两个截然不同的概念。那么，实物粒子的波粒二象性怎样正确解释呢？对实物粒子的波动性的令人信服的解释是1926年由玻恩提出来的，他认为电子流出现峰值处（或衍射图样上出现亮条纹处），电子出现的几率大，而不在峰值处，电子出现的几率校对其他微观粒子也是一样。对个别粒子在何处出现，有一定的偶然性，对大量粒子在空间不同位置出现的几率就服从一定的规律，并且形成一条连续分布曲线。所以对于微观粒子，其粒子性表现于它在探测时以整个粒子形式出现，而且这种粒子有确定的能量和动量，其波动性表现于粒子无确定轨道，它的空间分布表现为具有连续特征的波动性。这就是微观粒子的波动性的统计解释，这种实物粒子的波动性就是实物粒子的德布罗意波或称物质波。

　　秦山核电站

　　能源是发展国民经济和提高人民物质生活水平的物质基础，是经济建设的首要问题。建国以来，我国能源工业取得了巨大成就，原煤、石油、天然气、水电等分别占世界第3，第6，第12和第7位。但目前我国能源仍以煤炭为主，虽然我国煤炭贮量，目前还比较丰富。但是煤是固体燃料，含灰和硫等成分较多，燃烧时产生大量的烟尘和二氧化碳。尼乔斯在《人类对气候的影响》一书中指出，如果下世纪初煤是世界主要能源的话，由于大气中二氧化碳的增加，造成地球温度显著升高，两极冰盖融化，海平面上升，沿海人口密集地区大面积淹没，以及对人类生活的其他方面将造成重大影响。另外，由于煤的大量使用，环境污染已日益严重。据清初孙承泽所著《天府广记》中记载，古代北京空气十分澄澈，60千米以外的百花山可以看到北京城。

　　目前空气十分浑浊。20世纪50年代北京每年平均烟雾日45天，70年代约100天，到1981年达200天左右。1983年4月美国宇航员韦策在记者招待会上指出，他当年宇航时看到的地球，比他10年前宇航时看到的污染严重得多，浓密的污染云雾，正使地球变成一颗“灰色的行星”。但是如果20世纪20年代后世界能源以核能为主，就不会出现上述这种后果。

　　核能就是原子核能，核能的利用有两种途径：一种为核裂变，是较重原子核分裂为两个（或两个以上）裂块的过程称为裂变。各裂块都是质量较小的核，而且彼此质量相差不大，每个核在裂变时，平均还放出2～3个中子，每一重核的裂变可以放出约2万万电子伏特的能量。l千克铀（U235）全部裂变所放出的能量，相当于2500吨优质煤全部燃烧时所放出的能量。现已建成各种类型利用裂变的原子能反应堆和大功率的原子能发电站。

　　另一种利用核能的途径是聚变，它是轻原子相互碰撞，形成较重原子核并放出巨大能量的过程。聚变是太阳和某些星球的重要能源，由于轻核需在极高温度下，具有足够的动能克服核间的斥力，才能发生聚变，所以亦叫热核反应。为了利用聚变中放出的巨大原子能，各国正致力于研究如何实现可控制的热核反应。

　　我国已建设两个核电站，第一座核电站坐落在浙江省海盐县海边的秦山，另一座大型核电站在广东大亚湾。秦山核电站从1985年3月20日打下第一罐混凝土开始，经80多个月的奋战已于1992年并网发电，从此结束我国大陆无核电的历史，核电站设计能力为30万千瓦，每年将发电17亿度，核电站的寿期为40年。大亚湾核电站于1993年7月20日反应堆堆芯达到临界状态（即反应堆启动），至8月31日21点26分1号机组核能发电开始，到11月27日22点23分达到满功率90万千瓦运行成功。

　　秦山核电站中有一座圆柱形球状屋顶的建筑物叫安全壳厂房，它有十几层楼高，外壳用预应力钢筋混凝土浇筑而成，厚约1米，里面还有一层用钢板拼接而成的内壳。原子核反应堆就安装在它的中央。为了防止反应堆中的放射性物质泄漏出来污染周围环境，厂房将全部密封起来。

　　核电站的发电原理与火力发电站基本相同，所不同的是它用“烧”铀的反应堆代替烧煤、烧油的锅炉。在反应堆里，核燃料中的铀235受中子的轰击发生链式裂变反应，释放大量的热能来。

　　该电站的反应堆是压水反应堆，堆内的冷却水有很高的压力，即使水的温度达到几百度也不汽化，所以这种反应堆称为压水堆，压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。

　　压力容器是一个密封的空心圆柱体，高达20多米，重达几十吨。用来推动汽轮机转动的高温高压蒸气的能量就是这里面产生的，因此压力容器所用的钢材需要耐高温高压，还要耐腐蚀。

　　堆心是反应堆的心脏，装在压力容器的中间。堆心的构造，看上去像是由很多小方盒子排列而成的。这些小方盒子里装的是用浓缩铀氧化物经过烧结制成的燃料芯块。这些燃料芯块呈圆柱形，粗细与铅笔差不多，把它们装入两端密封、长约4米的锆合金包壳管中，成为一根根细长的核燃料元件棒，然后再把它们按15×15（根）排列成一个正方形，相互间用弹簧将它们固定住，组成像方盒一样的核燃料组件，在堆芯中有100多个这种核燃料组件，堆芯中除了核燃料组件外，还有控制棒和含硼的冷却水。控制棒用银锢镉材料制成，外面套上不锈钢包壳，粗细和核燃料棒相差不多，并将多根控制棒集成一束。控制棒用来控制堆内核反应的快慢。如果反应堆发生故障，只要在堆芯中插入足够的控制棒，在2秒钟内就会使反应堆停止工作，以确保反应堆的安全可靠。整个堆芯浸在含硼的冷却水中。反应堆产生热能由流入堆内的含硼冷却水带至蒸汽发生器，将蒸汽发生器管外的水加热成高压蒸汽，