5. 核力與介子
一位偉大的物理學家曾經說過， 科學不是而且永遠不會是一本寫完了的書， 每個重大的進展都帶來了新問題， 每一次發展總是揭露出新的更深的困難。物理學的發展的確是這樣， 每取得一個新的成就， 解決了現有的困難， 但同時也預示著新的難題的到來。這就是物理學發展的內在原因， 也正因為如此， 才有眾多讀者孜孜不倦地讀這本令人興趣盎然的書。
中子發現以後， 物理學家提出了原子核是由質子和中子組成的新模型， 取代了質子和電子組成的舊模型。這是一個很大的進步。但是， 一個新的問題隨之出現了。什麽力量使質子和中子結合在一起， 形成的原子核。在原子中， 電子和原子核都帶電， 是電磁力， 即電磁相互作用使它們結合在一起。原子核中， 中子不帶電， 它和質子之間不會是由電磁力而結合， 可它們之間的萬有引力又非常微弱， 不足以把它們15相互吸引到10 -米這麽小的範圍。再有， 原子核中的質子都帶有同性的電荷， 為什麽它們又沒有因同性相斥而飛散呢？這一係列的問題， 啟發物理學家意識到， 原子核中的核子( 質子與中子的統稱) 之間必有一種新的、尚未被認識的力存在。這種與萬有引力和電磁力都不相同的力， 被稱為核力， 也就是強相互作用。這種神秘核力具有一些突出的特點： 它的強度大， 核力比萬有引力、電磁力都大得多， 它的強度是電磁力的100 倍。它的力程短， 核力隻在核子之間非常短的距離內起作用， 當兩個核子之間距離小於十萬億分之三厘米時， 核力最強， 當距離大於這個數值時， 核力很快趨於零。它與電荷無關， 作用於質子與質子之間、中子與中子之間以及質子與中子之間的核力， 大致上是相等的。它具有飽和性， 每個核子隻同它附近的幾個核子之間有核力作用， 而不是同時與原子核內所有的核子發生作用。它還具有交換性， 當質子和中子通過核力發生作用時， 能夠伴隨著發生電荷交換， 質子把它的正電荷傳遞給中子， 於是質子變成中子， 中子則變成質子。
認識到核力的這些特點， 更激起了物理學家的一個疑惑： 核力是怎麽發生的？ 隻有當知道了核力的發生機製， 才能合理地解釋它那些不同尋常的性質。
1935 年， 日本物理學家湯川秀樹提出， 原子核內核子之間核力的發生， 同帶電粒子之間電磁相互作用的發生是類似的， 也是核子之間不斷交換某種媒介粒子的結果。19 世紀， 麥克斯韋的電磁場理論確定了帶電物體之間的電磁力是通過電磁場， 也就是光波， 由一方以光速傳遞到另一方的。光子就是電磁力的傳遞者。湯川秀樹認為， 由於核力的力程很短， 對應於核力的這種媒介粒子， 不會像光子那樣沒有質量， 而應該是一個質量較重的粒子。這就好比兩個人在較遠的距離上可以傳遞籃球， 而要傳遞較重的鉛球就不容易了； 但是如果兩個人之間的距離足夠近時， 則可以傳遞較重的鉛球。湯川秀樹還估算了這種粒子的質量大約是電子質量的200 倍。由於它的質量介於電子和質子之間， 所以它被安德遜命名為介子。
根據湯川秀樹的介子理論， 可以較好地說明核力的發生。如果是在質子與質子、中子與中子之間， 那麽核力是通過交換中性的介子而發生的， 進行介子交換的核子除了能量有改變外， 其他性質都不發生改變。如果是在質子與中子之間， 那麽核力是通過交換帶電的介子而發生的， 進行介子交換的核子不僅雙方的能量有改變， 而且核子的性質也發生改變， 質子變成了中子， 中子變成了質子。當時已經知道β衰變的結果是核子的轉變， 而且β衰變過程中， 中子轉變為質子時放出電子和中微子， 質子轉變為中子時放出正電子和中微子。湯川秀樹為了用介子理論合理地解釋β衰變現象， 他還預言， 介子應當是一種不穩定的粒子。它在核子間進行交換時， 會發生衰變， 一個帶正電的介子可以衰變為一個正電子和中微子； 一個帶負電的介子可以衰變為一個電子和中微子。
湯川秀樹的介子理論提出來之後， 開始並沒有引起人們的重視。但是， 1937 年的一件事改變了物理學家的態度。
那是安德遜和他的合作者尼德邁耶爾在宇宙線的研究中， 又發現一種新的粒子。這種粒子具有很強的穿透力， 有的帶正電荷， 有的帶負電荷。他們測定了它的質量大約是電子質量的207 倍。這很像湯川秀樹預言的介子， 於是就把它稱作介子。那麽它到底是不是湯川秀樹所預言的介子呢？ 物理學家在沒有充分確鑿的證據時， 是不會輕易下結論的。深入的研究， 還確實發現了問題。開始， 有實驗證實μ介子確是一種不穩定的粒子， 它的壽命隻有百萬分之二秒， 而且它在衰變後的確放出的是電子和中微子。這似乎更表明它就是湯川秀樹所預言的介子了。不過， 更深入的實驗表明， μ介子同核子之間的相互作用是非常的微弱。μ介子可以自由地穿過鉛原子核幾千萬次而不同原子核發生作用， 它同質子碰撞發生反應的機會也是幾萬億分之一。總之， 從實驗的結果來看， 它不是湯川秀樹所說的那種核力的媒介粒子。看來這是一個意外的收獲， 但是它的到來卻使得物理學家把注意力轉向了湯川秀樹的介子理論。尋找真正的核力媒介粒子的工作吸引了一些實驗物學家。
這個工作看來是挺艱難的， 直到本世紀40 年代後期才有了結果。1947 年， 英國物理學家鮑威爾利用當時新出現的捕捉粒子的工具――核乳膠技術， 在探測宇宙射線的實驗中， 發現了一種質量約為電子質量273 倍的新粒子， 稱它為π介子。乳膠是一種特殊感光材料， 當帶電粒子穿行於乳膠時， 會使它通過處的分子電離， 產生的離子經過顯影呈現出黑色的晶粒。根據粒子徑跡的晶粒密度的變化情況以及徑跡的形狀， 可以得到許多粒子的信息。鮑威爾對所獲得的資料進行了細致的分析， 確認π介子與核子有很強的相互作用。這一結論是根據從送到高空中的核乳膠片上發現的π介子徑跡末端有“星裂”現象而作出的。當π介子在原子核吸引下進入原子核， 並被質子所俘獲， 質子就轉變為中子。由於質子和中子的質量相差不多， 所以質子轉變成中子並不需要從π介子那裏吸收多少能量。這樣， 在這個轉變過程中， 與π介子相聯係的能量就從原子核中解放出來了。這一能量的釋放， 使原子核中的每個粒子都獲得了能量， 於是它們向四麵八方散去， 這就形成了原子核的星裂現象。π介子可以引起原子核的星裂， 表明它同原子核之間的作用是相當強烈的。
另外， 物理學家利用核乳膠片在高空中進行探測還發現， 從大氣層外進來的宇宙射線中的高能質子， 撞擊在核乳膠片的原子核上， 有π介子放出。這一現象也為π介子是核力媒介粒子提供了證據。
π介子就是湯川秀樹理論預言的粒子。鮑威爾也因發明核過程的照相乳膠方法和發現π介子獲得了1950 年的諾貝爾物理學獎。湯川秀樹則在這之前一年， 因提出核力的介子場理論和預言介子的存在而成為日本第一個獲得諾貝爾獎的科學家。
在確認π介子的同時， 物理學家還搞清楚了安德遜在1936 年發現的μ介子其實是π介子的衰變產物。μ介子除了質量較大以外， 其他性質與電子更為相近。由於μ介子實際上與核力沒有什麽關係， 為了區別於作為核力媒介粒子的π介子， 而不再稱它為介子， 隻稱它為μ子。
說到μ子， 就不能不提到我國著名物理學家張文裕的研究工作與成就。張文裕在30 年代曾在英國劍橋大學卡文迪許實驗室隨盧瑟福學核物理， 並獲得博士學位， 40 年他又從國內赴美國在普林斯頓大學從事研究。1947 ～1949 年期間， 他在研究宇宙射線和物質相互作用時發現， 一個帶有負電荷的μ子以低速穿過物質， 由於受到物質原子核的正電荷的吸引有可成為原子核的“衛星”， 沿原子核外定點軌道繞核旋轉。這一發現， 第一次突破了盧瑟福和玻爾以來的原子結構是電子在原子核外定點軌道上繞核旋轉的模型。經過二年的實驗證明， 鋁、鐵和鉛原子核能將帶負電荷的子俘獲， 這個結果曾在1949 年和1977 年先後獲得著名物理學家惠勤和吳健雄的確認， 他們都將張文裕稱為這方麵研究的先行者。
這種μ子與原子核組成的原子稱為μ子原子， 這在國際上也稱為“張原子”。張文裕以這一發現， 開創了奇異原子物理學這一新的研究領域。
§§第四章 探索粒子世界
中子發現以後， 物理學家提出了原子核是由質子和中子組成的新模型， 取代了質子和電子組成的舊模型。這是一個很大的進步。但是， 一個新的問題隨之出現了。什麽力量使質子和中子結合在一起， 形成的原子核。在原子中， 電子和原子核都帶電， 是電磁力， 即電磁相互作用使它們結合在一起。原子核中， 中子不帶電， 它和質子之間不會是由電磁力而結合， 可它們之間的萬有引力又非常微弱， 不足以把它們15相互吸引到10 -米這麽小的範圍。再有， 原子核中的質子都帶有同性的電荷， 為什麽它們又沒有因同性相斥而飛散呢？這一係列的問題， 啟發物理學家意識到， 原子核中的核子( 質子與中子的統稱) 之間必有一種新的、尚未被認識的力存在。這種與萬有引力和電磁力都不相同的力， 被稱為核力， 也就是強相互作用。這種神秘核力具有一些突出的特點： 它的強度大， 核力比萬有引力、電磁力都大得多， 它的強度是電磁力的100 倍。它的力程短， 核力隻在核子之間非常短的距離內起作用， 當兩個核子之間距離小於十萬億分之三厘米時， 核力最強， 當距離大於這個數值時， 核力很快趨於零。它與電荷無關， 作用於質子與質子之間、中子與中子之間以及質子與中子之間的核力， 大致上是相等的。它具有飽和性， 每個核子隻同它附近的幾個核子之間有核力作用， 而不是同時與原子核內所有的核子發生作用。它還具有交換性， 當質子和中子通過核力發生作用時， 能夠伴隨著發生電荷交換， 質子把它的正電荷傳遞給中子， 於是質子變成中子， 中子則變成質子。
認識到核力的這些特點， 更激起了物理學家的一個疑惑： 核力是怎麽發生的？ 隻有當知道了核力的發生機製， 才能合理地解釋它那些不同尋常的性質。
1935 年， 日本物理學家湯川秀樹提出， 原子核內核子之間核力的發生， 同帶電粒子之間電磁相互作用的發生是類似的， 也是核子之間不斷交換某種媒介粒子的結果。19 世紀， 麥克斯韋的電磁場理論確定了帶電物體之間的電磁力是通過電磁場， 也就是光波， 由一方以光速傳遞到另一方的。光子就是電磁力的傳遞者。湯川秀樹認為， 由於核力的力程很短， 對應於核力的這種媒介粒子， 不會像光子那樣沒有質量， 而應該是一個質量較重的粒子。這就好比兩個人在較遠的距離上可以傳遞籃球， 而要傳遞較重的鉛球就不容易了； 但是如果兩個人之間的距離足夠近時， 則可以傳遞較重的鉛球。湯川秀樹還估算了這種粒子的質量大約是電子質量的200 倍。由於它的質量介於電子和質子之間， 所以它被安德遜命名為介子。
根據湯川秀樹的介子理論， 可以較好地說明核力的發生。如果是在質子與質子、中子與中子之間， 那麽核力是通過交換中性的介子而發生的， 進行介子交換的核子除了能量有改變外， 其他性質都不發生改變。如果是在質子與中子之間， 那麽核力是通過交換帶電的介子而發生的， 進行介子交換的核子不僅雙方的能量有改變， 而且核子的性質也發生改變， 質子變成了中子， 中子變成了質子。當時已經知道β衰變的結果是核子的轉變， 而且β衰變過程中， 中子轉變為質子時放出電子和中微子， 質子轉變為中子時放出正電子和中微子。湯川秀樹為了用介子理論合理地解釋β衰變現象， 他還預言， 介子應當是一種不穩定的粒子。它在核子間進行交換時， 會發生衰變， 一個帶正電的介子可以衰變為一個正電子和中微子； 一個帶負電的介子可以衰變為一個電子和中微子。
湯川秀樹的介子理論提出來之後， 開始並沒有引起人們的重視。但是， 1937 年的一件事改變了物理學家的態度。
那是安德遜和他的合作者尼德邁耶爾在宇宙線的研究中， 又發現一種新的粒子。這種粒子具有很強的穿透力， 有的帶正電荷， 有的帶負電荷。他們測定了它的質量大約是電子質量的207 倍。這很像湯川秀樹預言的介子， 於是就把它稱作介子。那麽它到底是不是湯川秀樹所預言的介子呢？ 物理學家在沒有充分確鑿的證據時， 是不會輕易下結論的。深入的研究， 還確實發現了問題。開始， 有實驗證實μ介子確是一種不穩定的粒子， 它的壽命隻有百萬分之二秒， 而且它在衰變後的確放出的是電子和中微子。這似乎更表明它就是湯川秀樹所預言的介子了。不過， 更深入的實驗表明， μ介子同核子之間的相互作用是非常的微弱。μ介子可以自由地穿過鉛原子核幾千萬次而不同原子核發生作用， 它同質子碰撞發生反應的機會也是幾萬億分之一。總之， 從實驗的結果來看， 它不是湯川秀樹所說的那種核力的媒介粒子。看來這是一個意外的收獲， 但是它的到來卻使得物理學家把注意力轉向了湯川秀樹的介子理論。尋找真正的核力媒介粒子的工作吸引了一些實驗物學家。
這個工作看來是挺艱難的， 直到本世紀40 年代後期才有了結果。1947 年， 英國物理學家鮑威爾利用當時新出現的捕捉粒子的工具――核乳膠技術， 在探測宇宙射線的實驗中， 發現了一種質量約為電子質量273 倍的新粒子， 稱它為π介子。乳膠是一種特殊感光材料， 當帶電粒子穿行於乳膠時， 會使它通過處的分子電離， 產生的離子經過顯影呈現出黑色的晶粒。根據粒子徑跡的晶粒密度的變化情況以及徑跡的形狀， 可以得到許多粒子的信息。鮑威爾對所獲得的資料進行了細致的分析， 確認π介子與核子有很強的相互作用。這一結論是根據從送到高空中的核乳膠片上發現的π介子徑跡末端有“星裂”現象而作出的。當π介子在原子核吸引下進入原子核， 並被質子所俘獲， 質子就轉變為中子。由於質子和中子的質量相差不多， 所以質子轉變成中子並不需要從π介子那裏吸收多少能量。這樣， 在這個轉變過程中， 與π介子相聯係的能量就從原子核中解放出來了。這一能量的釋放， 使原子核中的每個粒子都獲得了能量， 於是它們向四麵八方散去， 這就形成了原子核的星裂現象。π介子可以引起原子核的星裂， 表明它同原子核之間的作用是相當強烈的。
另外， 物理學家利用核乳膠片在高空中進行探測還發現， 從大氣層外進來的宇宙射線中的高能質子， 撞擊在核乳膠片的原子核上， 有π介子放出。這一現象也為π介子是核力媒介粒子提供了證據。
π介子就是湯川秀樹理論預言的粒子。鮑威爾也因發明核過程的照相乳膠方法和發現π介子獲得了1950 年的諾貝爾物理學獎。湯川秀樹則在這之前一年， 因提出核力的介子場理論和預言介子的存在而成為日本第一個獲得諾貝爾獎的科學家。
在確認π介子的同時， 物理學家還搞清楚了安德遜在1936 年發現的μ介子其實是π介子的衰變產物。μ介子除了質量較大以外， 其他性質與電子更為相近。由於μ介子實際上與核力沒有什麽關係， 為了區別於作為核力媒介粒子的π介子， 而不再稱它為介子， 隻稱它為μ子。
說到μ子， 就不能不提到我國著名物理學家張文裕的研究工作與成就。張文裕在30 年代曾在英國劍橋大學卡文迪許實驗室隨盧瑟福學核物理， 並獲得博士學位， 40 年他又從國內赴美國在普林斯頓大學從事研究。1947 ～1949 年期間， 他在研究宇宙射線和物質相互作用時發現， 一個帶有負電荷的μ子以低速穿過物質， 由於受到物質原子核的正電荷的吸引有可成為原子核的“衛星”， 沿原子核外定點軌道繞核旋轉。這一發現， 第一次突破了盧瑟福和玻爾以來的原子結構是電子在原子核外定點軌道上繞核旋轉的模型。經過二年的實驗證明， 鋁、鐵和鉛原子核能將帶負電荷的子俘獲， 這個結果曾在1949 年和1977 年先後獲得著名物理學家惠勤和吳健雄的確認， 他們都將張文裕稱為這方麵研究的先行者。
這種μ子與原子核組成的原子稱為μ子原子， 這在國際上也稱為“張原子”。張文裕以這一發現， 開創了奇異原子物理學這一新的研究領域。
§§第四章 探索粒子世界
