01-2粒子世界探秘(2).doc

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第五章粒子世界
§1 正电子、中子、反质子和反中子
原子世界物质结构的基本组元是原子,原子世界的基本特征尺度为十分之一纳米,原子世界的能量标度是电子伏特。
最初认识的基本粒子
再把特征尺度缩小十万倍,小到百万分之一纳米,就进入了粒子世界。
20 世纪初在研究原子结构规律时,就已经认识了最初的几个基本粒子。质子、电子、光子是最早被认识到的几个基本粒子,这三种粒子都是稳定的粒子,质子带单位正电荷,电子带单位负电荷,光子不带电,质子和电子有放出和吸收光子的能力,它们通过电磁相互作用互相联系起来。当时实验上还显示不出它们的体积大小,看不到它们有内部结构,可以认为是“点”粒子。
人们认为这些粒子是物质结构的最小的单元,把它们统称为基本粒子。
20 世纪初,物理学中已清楚地认识了的物质的基本相互作用有两种:引力相互作用和电磁相互作用。它们之间有共同点又有不同点,它们都是与距离平方成反比的长程力,引力相互作用总是吸引,电磁相互作用则遵循“同性相斥、异性相吸”。质子和电子之间既有电磁相互作用,又有引力相互作用。英国天文学家和理论物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)曾认为基本粒子就是质子、电子、光子三种,而宇宙就是由总数约 1079 个质子和电子构成,是一个有限无边的正在膨胀的宇宙。从这种理论出发,也就提出了一系列需要研究解答的基本问题:为什么电荷有最小单位?为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为 1/137。036?为什么正电荷的最小单位比负电荷的最小单位质量重 1836。15 倍?为什么宏观上正负电是对称的,但正负电荷的最小单元又非常不对称?然而物理学实验和理论的发展很快地打破了这个格局,陆续发现了几个新的基本粒子,展示了粒子世界的丰富多采的新局面。
狄拉克的理论和正电子的发现
1928 年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien MauriceDirac)提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程,即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时,考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应,给出了氢原子能级的精细结构,与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为 1/2,以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德 g因子为轨道角动量情形时朗德 g 因子的 2 倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的,并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质,是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质,这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。
既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确,人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果,电子除了有能量取正值
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的状态外,还有能量取负值的状态,并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态,其能量值是一个电子的静止能量,其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高,并且可以连续地增加到无穷。与此同时,自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值,其他的负能态的能量比这个能量要低,并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明:如果有一个电子处于某个正能状态,则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱,这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去,这样任何一个电子都可以不断地释放能量,成为永动机,这在物理上显然是完全不合理的。
针对这个矛盾,1930 年狄拉克提出一个理论,被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子,满足泡利不相容原理,每一个状态最多只能容纳一个电子,物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子,同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态,也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量,也就是说不能输出任何信号,这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论,如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去,需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e,所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求,这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e 的粒子,这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”,即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。
1932 年美国物理学家安德森(Carl David Anderso