世界文化知識精華

第一節 理論知識

　　時空觀是人們對於時間和空間的物質性質的認識，時空觀的形成，經曆了一段相當長的曆史時期。

　　牛頓時空觀

　　要描述一物體的運動情況，必須知道在某一時刻，該物體在某一地方，比如，要描述火車在鐵路上的行駛情況，就要知道幾點幾分火車在某一地方，過一段時間火車到了另一地方。如果在相同的時間間隔內火車走的路程長，或者在相同的路程上，用的時間短，我們說這火車跑得快。火車在某一地方這就是火車的空間位置，什麽時刻到那裏，這就是描述運動的時間。時間反映著物質及其運動的持續性、順序性和階段性，而空間則反映著物質的伸張性和廣延性。

　　時空觀是人們對於時間和空間的物質性質的認識，時空觀的形成，經曆了一段相當長的曆史時期。時空問題是一個既抽象又實際的根本問題。自古以來，又是哲學家和科學家十分關心和爭論不休的課題。我國古代思想家們在研究自然、探索宇宙的過程中，對時間、空間的本質及其特性提出了不少卓越的見解，有許多即使在今天也仍然光彩奪目，令人驚歎不止。

　　在我國古代典籍中，最早明確提出時間、空間概念的是《管子》一書的《宙合》篇，它指出，世界萬物都包納在天地之中，而天地又包納在表示時間、空間的“宙合”之中，“宙”即指時間，“合”即指空間。到先秦時期，對時間和空間更有了進一步的認識。其中研究得最深入、最細致的要數後期墨家。他們在《墨經》中對時間、空間給出了更明確的回答，“宇”即空間，包括東、南、西、北四麵八方。“久”同“宙”包括現在、過去、早晨、黃昏。又認為事物的運動，必定經曆一定的空間和時間，由此時此地，到彼時彼地。這裏比較明確地指出了宇宙空間和時間的變動是密切相連的。

　　在古希臘文化的興盛時期（公元前7世紀到3世紀），人們不僅對物質運動的觀察中提煉出時間和空間的抽象概念，同時還對時間和空間的性質做出多方麵闡述，亞裏士多德第一個全麵而深刻地研究了時間和空間問題。他認為“時間屬於運動”，時間是“運動的數目”，而空間像“容納物體的容器一類的東西”，當它所包容的事物離開或消亡時，空間仍然留下，並不隨之消失。

　　到了16、17世紀，人類對時空的認識進入以哥白尼、伽利略、牛頓為代表的絕對時空時代。在牛頓的《自然哲學的數學原理》一書中，他第一次對時間和空間提出了明確而又抽象的論述。他寫道：“絕對的，真正的和數學的時間在自身流逝著”，“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的”。在牛頓看來，空間像一個大容器，它為物體運動提供了一個場所，物體放進去也好，取出來也好，這個空間本身並不會發生什麽變化。例如：空間像放滿水的遊泳池，供人們遊泳，人們來遊泳，遊完走了，遊泳池依舊，而時間像一條川流不息的河流，有事件發生也好，無事件發生亦好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著。總之，按照牛頓的觀點，時間和空間是獨立於物質運動之外，不受物質運動影響的，而具體物體的機械運動，則是在這種絕對的時空背景上進行的。

　　在絕對時空觀的基礎上，在具體描述物體運動的空間位置時，我們必須選擇一個參考物或參考係，例如：描述一小球在地麵上的運動，可選地麵為參考物，如要描述地球對於太陽的運動時，則可選太陽為參考物。為了定量描述物體的空間位置，往往還要選一坐標係，一般選笛卡兒坐標係，即3個互相垂直的坐標係。由於同一物體對於不同坐標係（參照物）的空間坐標是不同的。它們的空間坐標間存在一種變換關係，這關係即為伽利略變換關係。

　　在各坐標係中的時間標準是同一的，因為存在著一個絕對的時標。

　　在牛頓力學中，慣性參考係占有特殊的地位，因為隻有在慣性參考係中牛頓三定律才成立。天體運動的研究結果表明，以太陽中心為原點，以指向任一恒星的直線為坐標軸的參考係，對於研究太陽係內的物體運動來說是一個很好的慣性係。對上述慣性係做勻速直線運動的參考係都是慣性參考係。

　　當你坐在一輛行駛平穩的作等速直線運動的汽車或輪船上時，如果窗戶用窗簾擋著（或者是在夜間）看不到兩邊的景物，也聽不到馬達的聲音，這時你就很難確定這車或船是在行走還是靜止著。如果你丟一球，則用同樣的力氣朝車（或船）頭丟與朝車尾丟一樣遠；作立定跳遠，則朝車頭與車尾跳的距離與你在地麵上跳是一樣遠。若使水滴從頂篷上往下滴，你將看到水滴是垂直下落，決不因為車在行走而落得比車靜止時更向車尾一點；如果你在大海輪上打乒乓球，如果乒乓桌是沿著船頭尾方向擺著，你會感到在哪一邊打乒乓球都一樣，並不因為你從船頭一邊打向船尾一邊會打得遠一點。這表示在一個作等速直線運動的車（船）內部，不能借助於任何力學實驗來決定該車（或船）的速度，也不能確定這車或船是在作等速運動還是靜止。這是一條力學原理。

　　伽利略於1632年在一個關閉的船艙內觀察這一現象，他寫道：“在這裏（隻要船的運動是等速的），你在一切現象中觀察不出絲毫的改變，你也不能根據任何現象來判斷船究竟是在運動還是停止著。當你在地板上跳躍的時候，你所跳過的距離和你在一條靜止的船上跳躍時所跳過的距離完全相同。也就是說，你向船尾跳時並不比你向船頭跳時——由於船的迅速運動——跳得更遠些，雖然當你跳在空中時，在你下麵的地板是在向著和你跳躍相反的方向奔駛著，從掛在天花板下的裝著水的酒杯裏滴下的水滴，將垂直地落在地板上，沒有任何一滴水落向船尾方向，雖然當水滴還在空中時，船仍在向前走。蒼蠅將繼續自己的飛行，在各個方向都一樣，決不會發生蒼蠅（好像它們疲倦地跟在疾駛著的船後）集聚在船尾方向的情形。”這個原理叫做伽利略相對性原理，也叫力學相對性原理。

　　伽利略相對性原理，當時也曾回答了哥白尼地動學說反對者對地動說的責難，因為生活在地球上的人無法通過地球上發生的力學現象來判斷地球是靜止還是在運動的。

　　愛因斯坦的相對論把這個結果推廣，並斷言，在一係統（如車或船）內部所作的任何實驗（不論是電學的、光學的或其他實驗），都不能決定這係統的等速直線運動狀況。

　　相對論時空觀

　　19世紀中後期，由於人們對電磁學（包括光學）的研究不斷深入，將牛頓的絕對時空觀與力學相對性原理推廣來說明電磁現象時，出現了種種矛盾與混亂。

　　由於麥克斯韋建立了電磁場理論，並預言了電磁波的存在。然而，當時的電磁理論是建立在“以太”概念基礎上的。所謂“以太”是假想的一種充滿整個宇宙空間的特殊介質，電磁場（包括光在內）隻不過是這種特殊介質——“以太”的彈性表現，光和各種電磁波都是“以太”中的彈性波，就像聲波是空氣中的彈性波一樣。從空間性質來看，一切物體都在“以太”中運動，而“以太”自己卻保持不變，這樣一來，“以太”就具有絕對空間的性質。麥克斯韋電磁理論隻對“以太”這個參考係成立。“以太”充滿宇宙，地球就在“以太”中運動，因此人們就想辦法測量地球相對“以太”的運動速度。這項工作從19世紀中期開始，不同學者以不同方式來尋找，其中最著名的是1887年的邁克爾遜—莫雷實驗。但是無論實驗在不同的季節和不同的地點進行，還是為相同目的而進行的其他實驗，結果都是一樣：探測不到地球通過“以太”的運動。

　　邁克爾遜—莫雷實驗的負結果得出兩個結論：第一實驗表明“以太”沒有可觀測的性質，使得“以太”的假設站不住腳，一度被人重視的概念落得被遺棄的結局。第二提出了一個新的物理原理，在自由空間中光速處處相同，與光源及觀察者的運動無關。

　　在分析了不存在普遍適用的參考係所包含的物理後果，1905年愛因斯坦創建了狹義相對論，處理有關慣性參考係的問題。

　　狹義相對論是以兩個假設為基礎的。

　　第一個假設是：在所有互相以恒定速度作相對運動的參考係中，物理定律可用形式相同的方程式來表示。這一假設表明了普適參考係是不存在的。

　　如果物理定律對於作勻速相對運動的不同的觀察者具有不同的形式，那麽，就可由這種差別來確定哪一個物體在空間是“靜止”的，哪一個是“運動”的。但是，由於沒有普適的參考係，這種區別在自然界不存在，所以才有上述假設。

　　第二個假設是：對所有觀察者來說，在自由空間中光速為常數，與觀察者的運動狀態無關。這個假設是直接從邁克爾遜—莫雷實驗以及許多其他實驗得來的。

　　初看起來，這些假設並不過分。實際上，它們幾乎完全推翻了我們日常經驗所形成的直觀的時空概念。用一個簡單的例子可以說明這一點。

　　設有兩隻船A和B，A船靜止在水中，B船以恒定速度運動，當B船掠過A船旁的瞬間，兩船間發出一閃光。根據狹義相對論的第二個假設，光由閃光點均勻地向各個方向傳播，根據狹義相對論的第一個假設，對於位於兩船中的兩個觀察者來說，光的傳播速度是相同的，兩隻船上的觀察者一定會看到相同的現象。盡管由於B船作等速運動，B船中的觀察者相對於閃光發射點的位置在變化。但二人都看到一個以自身為中心的向外擴展的光球。

　　讓我們作一個熟悉的類比，設在晴朗的天氣裏，平靜的湖麵上有兩隻船，當它們會合時，有人自一船向水中投下一石塊。於是有一圓形波紋向四周擴展開來，波紋的形狀對每隻船上的觀察者看來是不同的，隻需看一下他是否處在波紋中心，每個觀察者就可以斷定他是否相對於水運動。水本身是一個參考係，在其中運動的船上的觀察者測出相對於自身的波速，在不同方向上有不同的大小，這和在靜止的船上觀察者情況不同，他測出波速各方向是均勻的。在水中的運動與波動，和在空間的運動與波動完全不同，認清這一點是很重要的。水本身就是一個參考係，而空間則不是，水中的波速隨觀察者的運動而異，空間中的光波速度則不隨觀察者的運動而變。

　　要解釋兩隻船上的觀察者看到同樣的擴展的光球這一事實的唯一辦法，是認為，在他人看來，每個觀察者的坐標係要受到他們的相對運動的影響。

　　在狹義相對論的時空觀認為：（l）不存在絕對的空間和絕對的時間。（2）空間、時間與在其中運動的物質存在著密不可分的聯係。（3）空間和時間是緊密相連係的。

　　分子的結構

　　我們眼、耳、鼻、舌、身所感受的千千萬萬種物質，都是由不到一百種原子組成的。一定種數和數目的原子，按照一定的比例和方式化合成分子，分子再堆集成物質。物質就是通常做成物體的材料。對任何東西你所能得到的最小數量就是一個單位分子，因為如果你把一個分子分成它的組成成分——原子，那就不再具有原來的化學性質了，它可能會變成性質不同的、相當不穩定的物質。例如填充氫氣球的氫，是由許多氫分子集合而成的，每個氫分子是由兩個氫原子化合而成的。水是由兩個氫原子和一個氧原子組成的分子，水分子的3個原子結合成等腰三角形，等腰三角形的頂角為105，其結構形式，在室溫下，水是一種流體，而氫和氧都是氣體，若把像水這樣的分子分成它的原子，那可就完全不一樣了。

　　化學反應就是原子重新結合成新分子的變化，在化學反應中舊分子已經打碎，但是原子則沒有被打碎，整個原子從舊分子轉移到新分子中，所以原子是物質在化學反應中不會分割的最大單元，分子則是物質能夠獨立存在的最小單位。

　　分子大小的範圍是：小到像氫分子和水分子那樣，隻有很少幾個原子；大到像大的有機分子那樣，是幾萬個原子的複雜組織。我們可以把原子看作是分子的基本建築材料，而分子則是微觀世界的樓房和機器。有些分子結構是原子高度重複、循環的組織結果，形成晶體或金屬——一種剛性的固定框架。這就是固體，另一些分子擺脫了與它們鄰居間化學鍵的結合，並以隨機方式自由運動，從而構成氣體。僅部分地擺脫化學鍵結合的分子可彼此滑過對方，這就形成液體。

　　也許有人要問：為什麽兩個氫原子而不是3個或4個氫原子結合成一個氫分子呢？原來它是與原子中的電子狀態有關的，電子不僅繞原子核運動，還會繞通過電子中心的軸線轉動——稱為電子的自旋，就好比地球除繞太陽公轉外，還繞通過地球中心並對著北極星的軸線自轉。電子帶負電，電子自旋使得電子像個小磁鐵，兩個電子的小磁鐵南北極對著排列時，它們同時出現在氫分子的2個核之間的機會就大大增加，把兩個氫核牽引在一起構成氫分子。每個氫原子隻有一個電子，就好像它隻有一隻手能夠同另一個氫原子的手拉住，沒有手再與其他氫原子拉手，所以隻能是兩個氫原子結合成一個氫分子。

　　我們吃的食鹽分子，叫氯化鈉分子，它們是用另一種方式結合的，鈉原子丟失一個電子變成帶正電荷的鈉離子Na+，氯原子得到鈉丟失的電子變成帶負電荷的氯離子Cl-，正負離子靠庫侖力吸引在一起，食鹽是固體，是由許多氯化鈉分子聚集在一起的，仔細觀察食鹽塊是呈立方形的，叫食鹽晶體，它是由氯離子和鈉離子有規律交替地緊密堆集起來的。

　　分子還可以用另一種方式聚合在一起，即通過所謂氫鍵，水就是由水分子通過氫鍵連成大小不等的分子集團的。氫鍵普遍地存在於自然界中，我們身體裏的蛋白質分子是很大的分子，它主要由碳、氫、氧、氮等原子化合而成的。蛋白質分子像扭著的橡皮梯子，梯子的橫杆就表示氫鍵。

　　由一個原子構成的分子稱為單原子分子，如氦分子；由兩個原子構成的分子稱為雙原子分子，氫分子和氧分子都是雙原子分子；由三個或三個以上原子構成的分子稱為多原子分子。水分子是三原子分子，做肥料用的氨分子是由三個氫原子和一個氮原子構成的四原子分子；大的有機分子可有幾萬個原子構成的，這些都是多原子分子。

　　我們知道，原子中的電子在不停地運動，原子、分子也在不停地運動，分子運動有三種形式：平動、轉動和振動。平動就是整個地移動。風就是空氣分子平動而形成的。分子中各個原子在其平衡位置上往複作小範圍的移動，稱為分子振動，所謂原子的平衡位置就是原子在分子中的平均位置。燃燒煤生成的二氧化碳分子，是由一個碳原子和二個氧原子結合成的，三個原子排成一條直線，它們可以作彎曲振動和伸縮振動，二氧化碳激光器就是利用二氧化碳分子的振動運動實現的。分子的轉動，就是分子繞通過其自身內某一點的軸線轉動，像自行車輪繞通過中心的軸轉動一樣。目前正在利用分子的轉動運動實現遠紅外激光器，這種激光器對於微波通訊和紅外遙感探測等方麵都很有用處。

　　分子的微觀世界是一個剛開始揭示的新前沿，目前科學家們已研究出了分子結合的方法，並有了計算機協助處理大批量資料工作，這對確定大分子結構這項工作很有幫助，開發極大分子的世界還剛剛起步，我們相信，用計算機和其他技術武裝起來的科學家們在這個世紀將會推動功能和宗旨上都更卓越的、時興的分子大廈。

　　原子的結構

　　很久以前，人們就開始猜想表麵上看來是連續的物質，具有一定的微觀結構，及至一個半世紀以前，這種猜想一直沒有具體的形式。當19世紀的科學家們采納化學元素是由原子組成這一概念時，他們對原子本身實際上毫無所知。1895年電子被發現，並認為所有的原子都含有電子，這對原子結構提供了第一個重要的信息，電子帶負電荷，而原子本身是中性的；因此每個原子必定含有足夠的帶正電荷的物質，以與電子的負電荷平衡。此外，電子比原子輕幾千倍，這表明原子中帶正電荷的成分幾乎提供了原子的全部質量。

　　1898年湯姆遜假設原子是一個內部嵌埋著電子的帶正電物質的均勻球體，在當時，他的假設看起來是完全合理的，他的模型被稱作湯姆遜葡萄幹布丁（類似有葡萄幹的麵包）的原子模型。

　　要知道葡萄幹布丁內是些什麽東西，最直接的方法就是設法插入其中，蓋革和馬斯登根據盧瑟福的建議於1909年進行的實驗中，用某種放射性元素自發輻射的快速α粒子（即氦的原子核）作為探針，蓋革和馬斯登把放射粒子材料樣品置於鉛屏後麵，鉛屏上有一小孔，以產生一束狹窄的α粒子束。將這束α粒子垂直地投射到薄的金箔上，金箔的另一側，放置一個可移動的硫化鋅屏，當α粒子打到它上麵時，便可產生可見的閃光。人們曾預料，如果湯姆遜葡萄幹布丁式的原子模型成立的話，大多數α粒子會沿直線通過金箔、其餘的至多隻發生輕微的偏轉。

　　蓋革和馬斯登實際得到的結果是：大多數射出的α粒子的確沒有發生偏轉，有些則以很大的角度散射，極少數（八千分之一）甚至向後散射。因為α粒子相當重（它的質量為電子質量的七千多倍），而實驗中所用的αＷ是以極高的速度飛行的，顯然，隻有很強的力作用在α粒子上，才能使它產生這樣明顯的偏轉。當盧瑟福知道這個結果時覺得實在難以置信，他經過長時間的思考，進行了嚴格的數學推導，終於在1910年，即在馬斯登的實驗之後一年多，作出了原子有核的決斷，認為原子是由很小的原子核（原子的正電荷和幾乎全部的質量都集中在它身上），和與核有一定距離的電子組成的。

　　利用盧瑟福散射實驗，當α粒子與原子核對頭相碰時的最小距離可以估計出原子核大小的上限、計算結果表明，原子核的半徑約為10-14米，即一萬億個原子核排起來約與指甲蓋那麽寬，而原子的半徑約為10-10米，所以原子核占整個原子半徑的以下。

　　在盧瑟福原子模型中，核外電子將是怎麽樣呢？如果電子是靜止的，則電子將被原子核所帶的正電的靜電力吸至原子核中，所以靜止是不可能的。

　　如果電子繞核運動，像行星繞太陽運動那樣，從動力學的角度看，電力在這裏作向心力，這是可能的。但是，電磁理論指出，加速電荷要以電磁波的形式輻射能量，作曲線運動的電子要受到加速，因而要不斷地損失能量，將很快地以螺旋形降落到原子核上。無論什麽時候作出的實驗檢驗，都已表明電磁理論的預言總是和實驗相符的，同時各種原子亦是穩定存在。這一矛盾隻能表明：在宏觀世界裏適用的物理規律——經典物理學，在原子的微觀世界裏不再成立了。經典物理學失敗的原因在於它隻是片麵地采用“純”粒子和“純”波動的抽象概念來研究自然界。如果我們研究的是原子世界，就必須把波的粒子行為和粒子的波動行為都考慮在內，在原子的微觀世界裏，它們服從量子理論。

　　原子中最簡單的是氫原子，它中間是個隻有一個質子的原子核，核外有一個電子，電子並不像行星圍繞太陽那樣在某一軌道上運動。由於電子既具有粒子性又具有波動性，我們隻能求出在某處找到電子的幾率，在圖中通過一些霧點表示幾率分布的大校在幾率密度大的地方，霧點要密；反之霧點就希這種霧點的疏密分布俗稱電子雲。電子雲並不表示電子實際上是雲狀的，電子雲是電子幾率分布的一個形象化名稱。

　　在自然界中有92種元素（如果加上人工方法獲得的元素，總數已達110多個），它們的物理、化學性質千差萬別，當然其中也有一些它們具有相似的物理、化學性質。門捷列夫在前人工作的基礎上，對各種元素的化學和物理性質，經過長期研究後，於1869年發現，如果將元素按原子序數排列起來，則元素的物理、化學性質呈現出周期性的重複，他根據元素的這種周期性，將元素分成7個周期，列出一個周期表。

　　為什麽元素的性質會呈現周期性的變化呢？這與原子中的電子的排列與分布有關。

　　原子中的電子是以一定的殼層與分殼層排列的，它的第一殼層可以排2個電子，第二殼層8個，第三殼層18個，第四殼層32個，第五殼層50個，第六殼層72個電子等等，由於電子的排列需滿足一係列規則，所以形成第一周期2個元素氫與氦，第二周期8個元素，第三周期8個元素，第四周期18個元素，第五周期18個元素，第六周期32個元素，第七周期尚未填滿。從周期表中我們可以得出以下的結論。

　　（1）元素的周期性，可以按照原子核電荷增加的次序和電子按一定規律分布來解釋。

　　（2）元素的化學性質，主要是由原子最外殼層中的電子數，即價電子來決定。8個價電子的惰性氣體原子特別穩定。一個價電子的堿金屬原子（如鋰、鉀、鈉等元素），很容易失掉這個電子而成為正離子，7個價電子的鹵素族元素（如氟、氯、溴、碘等元素），很容易從外界掠取一個電子以滿足8個電子數而成為負離子，所以堿金屬和鹵素族元素都是最活潑的化學元素。

　　（3）化學元素的性質與其原子核的電荷數有周期性的關係。

　　量子世界

　　我們知道，原子有兩個基本組元——原子核和圍繞它的電子群。電子是怎麽回事？它該歸到哪兒？物理學家們今天知道，電子是新的一組粒子的頭一個成員，這些粒子都有同樣的1/2自旋，總名稱都稱為輕子。別的一些輕子的名稱是：難找的中微子、μ（讀謬）子和τ（讀托）子。

　　為什麽物理學家們要費事地把輕子同其他粒子，如強子和組成它們的誇克區別開來單獨分類呢？強子之間的相互作用是強烈的，這反映了束縛誇克在其內的力是很強的。相反，輕子的相互作用相對較弱，並且構成了量子世界的一個相當大的角落。

　　輕子和誇克盡管在許多方麵是相似的，但輕子不像誇克，它們能以自由狀態存在。例如，電子是由弱電磁力約束在原子中的，易於解放出來。物理學家們已能獲得自由電子束，自由中微子束和自由μ子束。輕子，比如電子，是真實存在於世界上的。

　　下麵我們分別介紹這些輕子：（l）電子，基本量子中最引人注目也最易動的是電子，早在1897年它就已被確認為一種粒子了。它很容易從原子核的束縛中解放出來，在所有帶電量子中，它的質量最輕——它是真正“輕快”的輕子。電子技術是人類掌握電子的成果。

　　在所有基本量子中，對電子是了解得最透徹的。它似乎是一種絕對穩定的粒子。如果我們承認電荷是絕對守恒的（如今多數物理學家都相信的確是這樣的），那麽，因為電子是具有最輕電荷的粒子，所以它不再能衰變為更輕的粒子了，沒有東西能把它的電荷帶走。由量子電動力學的理論指出，電子是真正的點粒子，沒有進一步的結構。

　　（2）μ子，1937年尼得梅耶和安德生應用核乳膠，與此同時，斯純特和斯特威生應用雲霧室在研究宇宙射線時發現了這種新型的粒子，稱為μ介子，或μ子。

　　宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子流，它的起源目前還不清楚。在初級宇宙射線中質子約占85％，α粒子約占2.5％，其他的原子核約占1.5％，電子約占l％。當初級宇宙射線到達地球的大氣層時，由於與大氣層中的原子相碰撞，要產生大量的新粒子，稱為次級宇宙射線。這部分次級宇宙射線可分兩支，一支射線用10厘米厚的鉛板即可擋住，稱為軟成分，它們是由電子和正電子組成；另一支射線可穿透1米厚的鉛層，稱為硬成分，即為μ子組成。此時此刻，正有大量μ子在你周圍飛過並透過你的身體。如果我們以特殊的眼鏡裝備起來，就能看到周圍μ子的徑跡，隻要這徑跡能延續一分鍾，就能形成圍繞我們和透過我們的近乎垂直的致密線條叢。

　　μ子同電子一樣，但有一點不同，即它的質量比電子約大207倍，所以μ子是胖電子。另外，它是不穩定粒子，它們的平均壽命是2.2×10－6秒，衰變產物之一是電子，另有兩個中性粒子產生，它們的質量幾乎都等於零，稱為中微子。

　　μ子有帶正電的（μ+），也有帶負電的（μ-），二者互為反粒子，它們除有相反的電荷外，質量相同，自旋都是1/2.

　　（3）中微子，20世紀30年代，研究原子核放射性衰變的物理學家們碰到了一件苦惱的事，他們經過精密的測量發現，原子核蛻變之前的能量比蛻變之後大。這是對神聖的質量能量守恒定律的冒犯。1931年理論物理學家沃夫岡·泡利假定這是一種難找的新粒子把檢測不到的能量帶走了。當泡利提出這種假設之時，聽起來好像是一種騙術。但是後來終於直接找到了這些粒子。這些粒子與電子、μ子不同，它們沒有電荷。費米給它們起的名字叫“小小的中性粒子”——中微子。

　　中微子確是難找的輕子。它們在質量上比電子輕（事實上還不清楚它們究竟有沒有質量），並且它們與其他物質隻有極其微弱的相互作用。它們常產生於其他粒子的衰變殘餘物中。例如μ子可衰變為一個電子，一個中微子和一個反中微子。由於它隻有極端微弱的相互作用，所以中微子一旦產生，就難於使它停止了。它可以不受任何阻擋地穿過任何物質。由於中微子的穿透性如此之強，因而可以用它們探測質子和中子的深部結構，以了解許多有關這些粒子內誇克的情況。

　　物理學家們驚奇地發現，共有二種中微子，一種與電子相聯係，而另一種則與μ子相聯係。他們的名稱是電子中微子Ue和μ子中微子Uμ（U讀紐）。

　　中微子還有一個特點是左手性的，就是中微子的自旋方向和中微子的運動方向間，順著運動方向看，中微子的自旋是逆時針的，或者以左手的大拇指表示運動方向，則彎曲的四指為自旋方向，所以說它是左手性的。多數基本量子都是右手和左手形式的對等混合物，而中微子不是。

　　為什麽中微子這麽古怪？隻有左手性中微子存在，這一事實揭示了對宇稱守恒的背離。宇稱守恒法則是說：如果一種粒子是存在的，那麽，它的鏡像（左手在鏡子中的像，就是右手，即鏡子中左邊變為右邊，右邊變為左邊）也能存在。左手性中微子的鏡像就是右手性中微子，可那鬼東西就硬是不存在。兩位華裔美國物理學家楊振寧和李政道，從細節上論證了宇稱守恒在這裏是行不通的，並建議做一個實驗來檢驗他們的假說。哥倫比亞大學的華裔物理學家吳健雄和她的同事們的實驗證明楊、李是對的。楊和李為他們新奇的工作贏得了1957年諾貝爾物理獎。

　　中微子有無質量的問題一直是物理學家關心的問題。1957年楊振寧、李政道提出的理論要求中微子質量一定為零。可是現在實驗認為中微子質量可能不等於零。就理論物理學家方麵的推測而言，認為中微子可能有一小點質量。如果真是這樣，對研究整個宇宙的宇宙學來說，意義是深遠的。如果中微子具有哪怕隻是電子質量的一小部分，它們就提供了宇宙的大部質量，據估計將占整個宇宙質量的90％，這是一種不可見的質量，因為沒有人能真正看到這種中微子“背景輻射”。宇宙質量的另外10％是星座和星係形式的可見物質。中微子由此可看作是宇宙的“丟失質量”———靠這個總量來製止宇宙的膨脹，並最終導致其收縮。中微子可能成為把宇宙維係在一起的膠。

　　1992年美國科學家的試驗表明，有些中微子可能具有1.7萬電子伏特的質量（即0.00033mｅ），如果這一點被證實，將對粒子物理學和宇宙演變理論產生深遠影響。究竟中微子是否真正有一小點質量？現在正進行著精密的實驗以解決這個重要問題。

　　（4）τ子，τ（讀托）子發現較晚，在1976年，斯坦福附近物理學家們在正負電子對撞環裏看到了一種奇特的效應，實驗組馬釘柏耳認為，這些效應可能由一種新粒子所引起。1977～1978年，在德國漢堡，用類似的實驗設備獲得了肯定的證據，很清楚是一種新的、質量很大的輕子，其質量是電子質量的3500倍。同電子和μ子一樣，很可能也有一個無電荷的左手性中微子與τ子相聯係，雖然對此還沒有直接的證據，因為τ子是那麽重，所以它能衰變為許多較輕的其他粒子加上伴隨它的中微子。如果說μ子是個胖電子，那麽τ子就是個胖μ子。

　　到目前為止輕子有電子、μ子、τ子及它們相隨的中微子。

　　一切輕子的特點是：從未揭示出它們有任何內部結構，表現為純粹的點粒子，是真正的基本粒子，而不是複合粒子。

　　神秘的磁單極

　　電和磁，是人類很早就認識到的兩個現象，到19世紀，知道它們之間是有聯係的，電動能生磁，磁動能生電。但是電與磁之間亦不完全對稱，電有正電、負電，且正電和負電能單獨地存在；而當說到磁體時，磁南極和磁北極總是存在於同一磁體中，沒有隻有一個單獨的磁南極或單獨的磁北極的磁體。對此，人們始終在探索著，研究著。

　　近代對磁單極的討論，開始於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，則任何粒子的電荷就必須是量子化的，即必須是電子電荷的整數倍。

　　自從磁單極理論提出來之後，幾十年過去了，大部分物理學家還是持懷疑的態度，原因是一直沒有發現它存在的跡象。當然還是有一部分人在探索著。1974年前蘇聯物理學家頗拉科夫和芬蘭物理學家特·胡夫特指出：磁單極的質量超過質子質量的5000倍。在現今的大統一理論中認為磁單極的質量約是質子質量的1016倍，達到20毫微克（2×10－8mg）。1978年濟耳多維克和克羅波夫（蘇聯科學家）指出：在宇宙大爆炸的一瞬間，產生了能量極高的磁單極。但是由於大爆炸引起的膨脹，使宇宙物質的溫度很快下降，這樣，極性相反的磁單極就易於發生湮滅，使得宇宙中幸存的磁單極寥寥無幾。在大爆炸後約l％秒，宇宙中磁單極的密度大約是4×1013立方米空間中有一個。

　　在理論上預期磁單極具有如下的性質：

　　1.它具有極強的電離能力，在較高速度下，磁單極的電離能力是電子的18000倍，在低速下，電離能力更大。這樣，磁單極在通過物質時將很快地損失能量。當它通過乳膠時，將會留下一條電離極強的徑跡，而且直到徑跡終了處電離都沒有什麽變化。

　　2.它在磁場中能被加速。在磁場強度為1000奧斯特的磁場中，每走1厘米，可得到41兆電子伏特的能量。

　　3.它被反磁質所排斥，而被順磁質吸引，把它嵌進反磁物質，例如石墨，所需做的功估計為十分之幾電子伏特；而把它從順磁物質（例如鉻的晶體）中拉出所需做的功大約是10電子伏特。

　　4.它可以和順磁性的原子或分子結合成束縛係統，結合能的大小和化學結合能相當。

　　5.它的質量異乎尋常地大。

　　根據這些性質，人們設計過這樣一些實驗：（l）如果從宇宙來的磁單極落在地球上，那麽它將很快地由於電離損失能量而停留在地球表麵，把地表的岩石粉碎，置於強磁場中，磁單極將被吸出，收集在磁場末端的乳膠中，將乳膠顯影，便可看到它留下的徑跡。（2）把乳膠疊層帶到高空收集磁單極的徑跡。（3）利用磁通量的改變能夠感應電流的原理，使一可能含有磁單極的岩石樣品多次經過一個超導線圈，使感應電流累積到可測量的程度。

　　1975年夏，美國加利福尼亞大學和休斯敦大學組成聯合科研小組，他們把一個裝有聚碳酸脂固體探測器和乳膠的多層片疊在一起，由氣球放到40千米的高空飄浮62小時後收回，在探測器和乳膠中找到一根有著強電離的徑跡。而且在整條徑跡上，電離沒有什麽變化。這根徑跡，被解釋為質量大於質子質量200倍以上的磁單極留下的。對他們的結果，許多人持懷疑態度，因為一是這種解釋在統計學上不合理，二是它可被解釋為一個很重的原子核或者一個很重的反粒子留下的徑跡。

　　1982年，美國斯坦福大學的卡布裏臘做了一個十分精巧的實驗，他把一個直徑為5厘米共4匝的铌線圈降溫到絕對溫度9K，使之成為超導線圈，將它接在一種極為靈敏的磁通計（超導量子幹涉儀）的初級線圈上，當磁單極穿過铌線圈時，在線圈中感應出一個微弱的電流，然後由量子幹涉儀記錄。

　　為了屏蔽其他雜散磁場的幹擾，整個探測裝置包在一個直徑為20厘米，高度為100厘米的超導鉛箔筒內，由於邁斯納效應，超導體排斥磁力線，所以，例如地球磁場等雜散的磁力線都不能進入筒內，這就保證隻有當磁單極穿過探測線圈時才會感應出電流。1982年2月14日下午l時53分，卡布裏臘的儀器測到磁通量突然增高，經過反複分析研究，卡布裏臘認為是磁單極進入鋸線圈引起的變化，到1982年3月11日為止，這個實驗共做了151天。

　　這是一個可能的磁單極事例。但是一個事例並不能作出結論。目前許多組物理學家正在繼續進行磁單極的找尋。但迄今尚未有第一、二次事例的報導。

　　為什麽對磁單極感到這麽大的興趣呢？因為它涉及最根本的物理問題。

　　果真能找到磁單極的話，電荷的量子化就能得到很好的解釋，當今的物理學也會有一個較大的變化，電動力學、量子電動力學需要做必要的修改。對於宇宙起源的認識也會更深入一步。由於一個磁單極的質量相當於105個質子的質量，所以，宇宙中磁單極的數目對宇宙物質總質量的影響是很大的，而宇宙物質的總質量，都決定著宇宙的“命運”——是一直膨脹下去呢？還是膨脹速度變慢然後再收縮？總之，磁單極是目前高能物理學研究的中心課題之一，人們期待著它的性質得到實驗上和理論上的澄清。

　　電荷單位知多少

　　人們很早就發現電現象，西漢末年（約公元20年前後）《春秋緯·考異郵》中就記載有“現吸涓（rao）”的話，意思是說，經過摩擦的現能夠吸引微小的物體。記述了摩擦起電現象。很長時期以來，人們認為電荷是連續的，可以任意分割的。1895年發現了電子，測得它帶有負電，後來發現了質子，它帶有正電。那麽它們各自帶的電荷有多大呢？每個電子所帶的電荷是不是電荷的最小單位？所有帶電體所帶的電荷是不是電子電荷的整數倍？為了回答上述問題，人們做了不少實驗。

　　最早給人啟迪的是1883年法拉第的電解定律，他指出電解1個“克當量”物質的用電量相當於96500庫侖。就是說每一個單價離子到達電極還原為原子後，給予電極的電量為1.60×10－19庫侖。這說明單價離子所帶的電量是相同的。直接測出電子電量的實驗是1909年密立根所做的著名的油滴實驗，他的實驗裝置，A和B是兩塊平行水平金屬板，上板A上有一小孔，使A板帶正電，B板帶負電，油滴由噴霧器噴出，由於摩擦油滴帶負電，即油滴帶一個或幾個電子。當油滴由A板上的小孔掉入兩板之間，當AB之間不加電場時，由於重力、空氣浮力與阻力，使油滴勻速下落；當AB間加電場時，且電力大於重力時油滴上升，若電力、重力與空氣阻力平衡時，油滴勻速上升，當用開關S使AB充電、放電時，油滴在A、B間上、下運動，由於別的原因（如宇宙線等）在A、B間產生離子，這些離子有可能與油滴相碰，使油滴上的電量改變。從而使油滴上升速度發生變化，測出速度的變化，計算出電子電量的最小單位為e＝1.60203×10－19庫侖。1963年蓋耳曼與茨威格提出強子由誇克組成的理論，預言誇克有多種。自1965年開始，斯坦福大學一直在進行著一項尋找物質上的自由分數電荷的實驗。1977年斯坦福大學費爾班克教授等人用磁漂浮法測分數電荷，他們用直徑為0.36毫米的铌——25％鋯合金單股線繞成的超導線圈，浸泡在液氦中，用來產生的超導磁場將铌球懸浮在平行板之間，加上變化的電場以觀測铌球的運動，其實質是一種大規模的密立根實驗。他們用5個在铌基片上熱處理過的瓷球和3個在鎢基片上熱處理的铌球作漂浮球，球的半徑為0.011～0.014厘米。測得鎢基片上處理的三個铌球的剩餘電荷分別為（＋0.337±0.009）e；（-0.001±0.025）e和（-0.331±0.070）e。所有在铌基片上處理的铌球，有接近於零的剩餘電荷，因此，他們的結論是：誇克是在熱處理過程中從鎢基片轉移過去的。

　　後來他們繼續研究，並一再發表肯定上述結果的報告。另一方麵別人用其他方法，如用反饋懸浮靜電計觀測小鐵圓柱的實驗，和用改進密立根的方法所作的汞滴實驗，都沒有觀察到分數電荷存在的證據。

　　由此可知，電量不能連續變化，隻能取基本電量e的整數倍。電荷的這種隻能取分立的、不連續的量值的性質，叫做電荷量子化。電荷的量子就是e，它等於1.60203×10－19庫侖。它是電子或質子所帶電荷的數值。至於分數電荷，1977年斯坦福大學實驗組得到的結果，可以認為是分數電荷粒子存在的一個證據，但還有很多問題有待解決，隻有進行更多的重複實驗，才能取得一個正確的結論。

　　各種加速器

　　1919年人們發現用天然放射性元素釙發射的A射線（即氦的原子核）打入氮原子核，會使之變成一種新的元素的原子核。這一發現立即引起了許多人的注意，它為研究原子核內部結構，認識原子核和基本粒子的運動規律，開辟了一條新的途徑。但是天然放射性物質發射的射線的強度比較弱，產生的粒子能量比較小，且粒子能量的大小不能調節，因此人們希望能用人工的方法產生高能粒子。從20世紀30年代起建起了各種加速器，從最初的靜電加速器、回旋加速器開始，後又出現同步回旋加速器、電子感應加速器、電子同步加速器、質子同步加速器、強聚焦質子同步加速器、直線加速器和對撞機等多種類型。早期的加速器帶電粒子的能量隻有1～2Mev（Mev為百萬電子伏特，1電子伏特是一個電子經1伏特電勢差所獲得的能量，所以1電子伏特=1.60×10－19焦耳）。而現在最大的質子加速器加速質子的能量已達到400Gev（10億電子伏特叫1Gev）。加速粒子的能量在100Mev以下的加速器稱為低能加速器，在核物理的研究、工業和醫療中有著廣泛的應用；100～1000Mev之間的加速器，稱為中能加速器，由於它多數用來產生“介子”（一種基本粒子），所以又稱為“介子工廠”；1Gev以上的加速器則稱為高能加速器，主要用來研究基本粒子。

　　對撞機與北京正負電子對撞機

　　加速器能提供能量很高的帶電粒子（如質子、電子等），通過這些高能粒子束去轟擊實驗室裏的靜止靶，就像炮彈轟擊堅固的堡壘一樣，使靶中的基本粒子發生變革。顯示出它們的內部結構和運動規律。但是高能粒子和靶內粒子之間的有效作用能，隻占高能粒子能量的一小部分，大部分能量轉化成使靶粒子向前運動的動能，這部分能量不參與高能反應，也就是說這部分能量浪費了，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：一個1000Gev（1Gev=109ev）的高能質子同步加速器，它的質子束的有用能量僅為42Gev。由此科學家們深入研究想法解決這個問題。有人想出讓兩束能量相等的高能粒子相對碰撞，那麽兩束粒子的全部能量就都能用於高能反應，例如：當兩束被加速的電子相互碰撞時，如果每束電子能量為2.2Gev，則其有用能量相當於一台19000Gev的電子加速器所產生的電子束轟擊靜止靶中的電子。因此60年代後期就出現了對撞機這種加速器。

　　常見的對撞機有正負電子對撞機，質子—質子對撞機，質子—反質子對撞機等。對撞機是加速器的發展。

　　我國自行設計建造的第一台北京正負電子對撞機，代號BEPC，已於1988年10月16日對撞成功了，該機於1984年10月7日奠基，鄧小平同誌親臨奠基破土，經過4年的艱苦奮鬥，在我國高科技領域中結出了又一重大科技成果。北京正負電子對撞機是一台高能電子和正電子加速器，它是研究高能物理和同步輻射應用的重要工具。

　　北京正負電子對撞機由5個主要部分組成：注入器（電子直線加速器）、儲存環、北京譜儀（探測器），同步輻射實驗室和計算中心，其總布局：注入器是一台可將正負電子加速到1.1～1.4Gev的直線加速器，它由56根長3.05米的波導加速管和一些聚焦節組成，全長201米。它也是由40Mev的預注入器，150Mev的電子加速器和1.1～1.4GeV的正負電子加速器組成的。

　　儲存環是由真空盒，高頻加速站，40塊彎轉磁鐵，68塊聚焦磁鐵，扭擺磁鐵，校正磁鐵等多個元件組成的一個中心軌道周長240.4米的橢圓形的環。正、負電子的注入點分別在長軸的兩端，短軸的兩端是正負電子束的對撞點。儲存環的工作包括：正負電子積累，加速和對撞3個階段。為了進行探測，在對撞點處裝有探測器——一北京譜儀。北京譜儀是一座大型通用探測器，它猶如我們人類的眼睛一樣能觀察到對撞中微觀世界的秘密，正負電子束流從譜儀中心穿過，該探測器能充分接收到碰撞瞬間產生大量新粒子的各種信息，經電子學係統和計算機處理得到這些粒子的種類、個數、動量、能量、飛行方向等參數。該譜儀長6米，高寬各7米，總重480噸，它由中心漂移室、主漂移室、飛行時間計數器、簇射計數器和屍子計數器等組成。

　　正如人類觀察事物一樣，光用眼睛還不夠，還必須用大腦來分析，正負電子對撞機設有計算中心，這相當於人類的大腦作用，探測獲取的信號要利用計算機進行分析處理，才能最後得到物理實驗的結果。

　　為了充分發揮北京正負電子對撞機的作用和經濟效益，在該機上建造同步輻射實驗區。該區已建成3個光束線前端區，5條光線束和相應的8個實驗站，可提供頻譜從紫外光到硬X光（λ=0.5）的同步光，光子通量可達8×1010光子/秒。

　　北京正負電子對撞機為我國基礎研究、應用研究、發展研究和技術應用提供了一個強有力的實驗基地，它必將促進我國多種學科和尖端技術迅速向前發展。該機的主要指標以其高亮度（為美國同類裝置的4~5倍），低能散射和運行的穩定性可靠性而處於國際領先地位。在25屆國際高能物理會議上，大會主持人、諾貝爾獎金獲得者裏克特先生指出“北京正負電子對撞機是當今世界上這一能區中唯一亮度最高的對撞機。”宇宙射線

　　宇宙射線的發現，在自然科學史上是一件重大事件，發現宇宙射線的實驗，也和科學上其他實驗一樣，不是一蹴而成的。人們經過漫長時間的摸索、思考、實踐，才從模糊的意識中逐漸明確方向、改進方法、完善儀器，最終證實了宇宙射線的存在。

　　早在1785年，庫侖就指出，放在空氣中的帶電體會逐漸丟失電荷，這是大氣導電性的最早發現。但是，電荷為什麽會自動丟失？這是一個謎。在其後的一個多世紀裏，空氣的導電性被認為是物理學中的一個難題而給擱置起來。直到1900年前後，由於物理實驗技術的提高，並受到電子、X射線、放射性物質被發現的啟發，人們才又把注意力集中到大氣導電性的實驗研究上，J。J。湯姆生、威爾遜、埃爾斯特、蓋特爾以及其他科學家們在這方麵做了很大的貢獻。早在1901年威爾遜就曾設想“在幹淨的空氣中不斷產生離子是否可以解釋為大氣之外存在著輻射源。這種輻射源來的輻射可能像倫琴射線或陰極射線，但貫穿本領強得多”。遺憾的是威爾遜在1906年改變了想法，放棄了地球外輻射源的設想。

　　從1900年到1911年間埃伯特、伯威茨、哥克爾進行過若幹次氣球飛行，進行漏電率實驗，得出“隨著高度增加漏電率稍有增加”。1910年伍爾夫帶著改進了的驗電器爬上300米高的在巴黎的埃菲爾塔頂去測大氣電性，得到結論是“若不是在大氣的高層存在著另外的γ射線源，那就是γ射線在空氣中的吸收率遠比假定的要小得多”。

　　奧地利物理學家赫斯在1911~1913年連續3年內進行了10次氣球飛行實驗，得出正確的結論“目前觀測的結果，完全可以用這樣的假設來解釋：高貫穿本領的輻射是從上空進入地球大氣層的，直到大氣層下層，仍能在密閉的容器中觀測到所產生的離子的一部分”。

　　其後1922~1925年間密立根，斯旺和霍夫曼又做了一係列實驗，特別是1925年在高山上的纓爾湖和箭頭湖的雪水湖中的實驗，使他們相信赫斯所發現的射線的確來自宇宙空間，於是密立根把這種射線命名為“宇宙射線”。

　　而赫斯由於發現了宇宙射線在1936年獲得了諾貝爾物理獎。

　　現在大家知道，宇宙射線就是從宇宙空間飛來的高速原子核，它們的飛行速度接近光速。由於地球表麵有大氣層阻擋，這些高速原子核不能直接到達地麵。當它們進入大氣層後，和空氣的原子核發生核反應而產生許多次級粒子。其中有一些高能次級粒子會一直到達地球表麵，甚至會穿到地球深處。

　　這些每時每刻來到地球的宇宙空間的“來客”，有哪些特征呢？它們來自何方？現在知道宇宙射線中的高速原子核包括輕原子核和重原子核，幾乎各種原子核都有，其中大部分是質子，其次是He核及Li、Be、B、C、N。O、F核等，其能量的數量級可達到1018電子伏特以上。

　　宇宙射線是在宇宙空間四麵八方飛行的，我們地球接受到其中很少的一部分，對於高能宇宙射線來講，地球上不同地點對準不同方向所測量到的強度是一樣的，且強度幾乎不隨時間發生變化，也可以說在時間上是恒定的。但低能宇宙射線的強度則和測量地點、方向有關，而且隨時間變化。目前的解釋是：大部分高能宇宙射線可能起源於超新星爆發，當超新星（超過爆發前亮度一千萬倍的新星，叫超新星）爆發時，向宇宙空間拋出大量的高能原子核。這些原子核在宇宙空間飛行時，受空間電磁場的作用，輾轉到達地球，在這個過程中它們會和星際空間物質碰撞或發生反應。有人估計過，初級宇宙射線被拋出起直到到達地球，其間大約經過108年的“流浪”時間。因為它們是輾轉到達地球的，所以在地球上看，幾乎是各向同性的，而且時間上是恒定的。

　　至於低能宇宙射線，則明顯地受地磁場的影響，且它們的強度與太陽的活動有關。

　　在地球表麵上接收到的宇宙射線，不是初級的高能原子核，而是它們產生的次級粒子。初級宇宙射線和大氣原子核反應，產生質子、中子、π介子（π±和π0）等強子，這些次級粒子又會在大氣中引起新的核反應，這樣重複地進行下去，直到強子能量小於1010電子伏特左右才停止。次級粒子有些是不穩定的，它們有一部分在飛行中衰變，例如中子衰變為質子、電子和電子中微子Vｅ；π+衰變為μ+子和μ子中微子Vμ；π0衰變為兩個γ光子。

　　宇宙射線次級粒子能到達海平麵的是μ子、電子、中微子，還有少量的質子和π介子等。極少數次級粒子如中微子和高能μ子，可以一直穿到很深的地下。

　　我國建國以來，在宇宙射線物理研究方麵得到了比較穩定的發展，在宇宙射線高能物理和高能天體物理方麵的研究工作都取得了一批較好的成果。

　　1953年中科院物理研究所在雲南東川海拔3180米的落雪山上建立了宇宙射線實驗站，1957年在北京和廣州分別建立了宇宙射線強度觀測站，20世紀60年代中又在落雪山站附近海拔3200米的山峰上建立了一個新的高山站。利用雲室在高山上研究高能宇宙射線粒子與物質相互作用，研究了1011~1012電子伏特的高能現象。1972年獲得了一個重質量荷電粒子事例。從1977年起，中科院高能物理所在西藏海拔5500米的甘巴拉山上建設了世界上最高的高山乳膠室。高能所與國內山東大學等和日本東京大學7所大學合作，開展了對能區為1015~1017電子伏特超高能核作用的實驗研究，找到了至今國際上唯一的多心結構超低空γ族事例。1988年在懷柔建成塑料閃爍體構成的空氣簇射陣列，對宇宙空氣簇射進行長期觀測，研究能量大於1015電子伏特的空氣簇射的特性和觀測超高能γ射線天體，另在雲南昌明附近海拔2720米的王梁山及西藏海拔4300米的羊八井各建一個宇宙射線空氣簇射觀測站。另外還發展高空氣球技術，廣泛開展初級宇宙射線和空間天文觀測等等。利用球載高能X射線望遠鏡係統獲得蟹狀星雲20—200千電子伏硬X光子時間和能量的近百萬組數據，經分析準確地得出了蟹狀星雲脈衝星硬X輻射周期，並在國際上首先成功地得到了天鵝座X—3的高能γ輻射。並發現了γ射線強度同X輻射強度的負相關現象，這一發現對於建立天鵝X—3的高能輻射區域模型和了解高能粒子加速機製提供了重要依據。總之經四十多年的發展，為我國宇宙射線物理研究的進一步發展創造了一些必要的條件。

　　物質波

　　電子是最早發現的一種基本粒子，1895年由J。J。湯姆遜在研究陰極射線時發現的，它在電磁場中將發生偏轉，電子質量為9.109×10-31千克，帶負電，電量為1.602×10－19庫侖，是電量最小單位。電子的定向運動形成電流，如金屬導線中的電流就是由於電子的運動形成的，人們可利用適當的電場和磁場，按照需要控製電子的運動，在經典物理中，一向把電子看作是一個質點。

　　到了20世紀，被看作是波動的光，由於光電效應，使人普遍承認光還具有粒子性，X射線的本性，由於德國物理學家勞厄在1912年發現了它的衍射現象，和英國物理學家布喇格父子成功地用於晶體分析，肯定了它的波動性，而美國物理學家康普頓進一步從X射線與電子的相互作用中確認了它的粒子性。1923年光的波粒二象性已經得到了全麵認識。1923年法國物理學家路易斯·德布羅意大膽設想，既然光和X射線等電磁波有粒子性。為什麽粒子不可以有波動性？他說：“整個世紀以來，在光學中，比起波的研究方法來，如果說是過於忽視粒子的研究方法的話，那麽在實物粒子的理論上，是不是發生了相反的錯誤，把粒子的圖像想得太多，而過分忽視了波的圖像呢？”接著他提出了一個大膽的假設，認為不隻是輻射具有波粒二象性，一切實物粒子（如電子、原子、分子……）也具有波粒二象性。

　　1927年戴維孫和革末用電子證實了德布羅意假說。他們設計了一個實驗裝置。由熱燈絲K發出的電子，被電勢差Ｖ產生的電場加速後，經小孔射出，形成一束很細的平行電子束，電子束射到晶體上，被晶麵反射，反射後的電子束由集電器俘獲，並提供了電流I，I可用電流計G測量。電子流強度I表證反射電子束的強度。實驗時將集電器對準某一固定方向，改變加速電勢差Ｖ，測出相應的反射電子流強度I。實驗發現，當加速電勢差，逐漸增加時，電子流強度並不單調變化，而表現出在某些Ｖ值時，I出現極大值，這表明，以一定方向投射到晶麵上的電子束，隻有具有某些特定速率時，才能準確地按照反射定律在晶麵上反射。

　　上述實驗結果與晶體對X射線的衍射情形是極其相似的，電子射線反射與X射線衍射的相似性，有力地說明了電子具有波動性。

　　G。P。湯姆遜，（是J。J。湯姆遜的獨生子）幾乎同時用另外的方法得到了電子衍射圖形，電子束經高達上萬伏的電壓加速，能量相當於10~45千電子伏，電子穿透多晶的金屬薄膜（鋁、金、鉑等薄膜），得到圓環狀的衍射花紋。為了說明觀察到的正是電子衍射，而不是由於高速電子碰撞產生的X射線衍射，G。P。湯姆遜用磁場將電子束偏向一方，發現整個圖像的平移，保留原來的花樣。由此肯定是帶電粒子衍射而不是X射線。

　　這些圖形與X射線在粉末法中所得圖形非常相似，與德布羅意波動力學理論預計的結論在5％的範圍內相符。

　　1937年，G。P。湯姆遜和戴維遜一起，由於電子衍射方麵的工作，共同獲得諾貝爾物理獎。

　　電子衍射現象是電子具有波動性的有力證明，電子顯微鏡使微小物體成像就是根據這一性質製造的。電子衍射已經發展成一種研究物質結構的有效方法。

　　1930年分子束方法的創始人斯待恩和他的合作者用氫分子和氦原子證實普通原子和分子也具有波動性。

　　自由電子具有波動性可能還比較容易被人們接受，因為電子本身就是一種難以捉摸的微觀粒子，波動性也就是它的某種特性。當證明氫分子和氦原子一類的中性物質同樣也具有波動性時，就不能不使人們確信波粒二象性是物質的普遍性了。

　　在經典物理學中，波和粒子，一個是連續的，一個是分立的，二者是完全不能相容的兩個截然不同的概念。那麽，實物粒子的波粒二象性怎樣正確解釋呢？對實物粒子的波動性的令人信服的解釋是1926年由玻恩提出來的，他認為電子流出現峰值處（或衍射圖樣上出現亮條紋處），電子出現的幾率大，而不在峰值處，電子出現的幾率校對其他微觀粒子也是一樣。對個別粒子在何處出現，有一定的偶然性，對大量粒子在空間不同位置出現的幾率就服從一定的規律，並且形成一條連續分布曲線。所以對於微觀粒子，其粒子性表現於它在探測時以整個粒子形式出現，而且這種粒子有確定的能量和動量，其波動性表現於粒子無確定軌道，它的空間分布表現為具有連續特征的波動性。這就是微觀粒子的波動性的統計解釋，這種實物粒子的波動性就是實物粒子的德布羅意波或稱物質波。

　　秦山核電站

　　能源是發展國民經濟和提高人民物質生活水平的物質基礎，是經濟建設的首要問題。建國以來，我國能源工業取得了巨大成就，原煤、石油、天然氣、水電等分別占世界第3，第6，第12和第7位。但目前我國能源仍以煤炭為主，雖然我國煤炭貯量，目前還比較豐富。但是煤是固體燃料，含灰和硫等成分較多，燃燒時產生大量的煙塵和二氧化碳。尼喬斯在《人類對氣候的影響》一書中指出，如果下世紀初煤是世界主要能源的話，由於大氣中二氧化碳的增加，造成地球溫度顯著升高，兩極冰蓋融化，海平麵上升，沿海人口密集地區大麵積淹沒，以及對人類生活的其他方麵將造成重大影響。另外，由於煤的大量使用，環境汙染已日益嚴重。據清初孫承澤所著《天府廣記》中記載，古代北京空氣十分澄澈，60千米以外的百花山可以看到北京城。

　　目前空氣十分渾濁。20世紀50年代北京每年平均煙霧日45天，70年代約100天，到1981年達200天左右。1983年4月美國宇航員韋策在記者招待會上指出，他當年宇航時看到的地球，比他10年前宇航時看到的汙染嚴重得多，濃密的汙染雲霧，正使地球變成一顆“灰色的行星”。但是如果20世紀20年代後世界能源以核能為主，就不會出現上述這種後果。

　　核能就是原子核能，核能的利用有兩種途徑：一種為核裂變，是較重原子核分裂為兩個（或兩個以上）裂塊的過程稱為裂變。各裂塊都是質量較小的核，而且彼此質量相差不大，每個核在裂變時，平均還放出2～3個中子，每一重核的裂變可以放出約2萬萬電子伏特的能量。l千克鈾（U235）全部裂變所放出的能量，相當於2500噸優質煤全部燃燒時所放出的能量。現已建成各種類型利用裂變的原子能反應堆和大功率的原子能發電站。

　　另一種利用核能的途徑是聚變，它是輕原子相互碰撞，形成較重原子核並放出巨大能量的過程。聚變是太陽和某些星球的重要能源，由於輕核需在極高溫度下，具有足夠的動能克服核間的斥力，才能發生聚變，所以亦叫熱核反應。為了利用聚變中放出的巨大原子能，各國正致力於研究如何實現可控製的熱核反應。

　　我國已建設兩個核電站，第一座核電站坐落在浙江省海鹽縣海邊的秦山，另一座大型核電站在廣東大亞灣。秦山核電站從1985年3月20日打下第一罐混凝土開始，經80多個月的奮戰已於1992年並網發電，從此結束我國大陸無核電的曆史，核電站設計能力為30萬千瓦，每年將發電17億度，核電站的壽期為40年。大亞灣核電站於1993年7月20日反應堆堆芯達到臨界狀態（即反應堆啟動），至8月31日21點26分1號機組核能發電開始，到11月27日22點23分達到滿功率90萬千瓦運行成功。

　　秦山核電站中有一座圓柱形球狀屋頂的建築物叫安全殼廠房，它有十幾層樓高，外殼用預應力鋼筋混凝土澆築而成，厚約1米，裏麵還有一層用鋼板拚接而成的內殼。原子核反應堆就安裝在它的中央。為了防止反應堆中的放射性物質泄漏出來汙染周圍環境，廠房將全部密封起來。

　　核電站的發電原理與火力發電站基本相同，所不同的是它用“燒”鈾的反應堆代替燒煤、燒油的鍋爐。在反應堆裏，核燃料中的鈾235受中子的轟擊發生鏈式裂變反應，釋放大量的熱能來。

　　該電站的反應堆是壓水反應堆，堆內的冷卻水有很高的壓力，即使水的溫度達到幾百度也不汽化，所以這種反應堆稱為壓水堆，壓水堆由壓力容器和堆芯兩部分組成。

　　壓力容器是一個密封的空心圓柱體，高達20多米，重達幾十噸。用來推動汽輪機轉動的高溫高壓蒸氣的能量就是這裏麵產生的，因此壓力容器所用的鋼材需要耐高溫高壓，還要耐腐蝕。

　　堆心是反應堆的心髒，裝在壓力容器的中間。堆心的構造，看上去像是由很多小方盒子排列而成的。這些小方盒子裏裝的是用濃縮鈾氧化物經過燒結製成的燃料芯塊。這些燃料芯塊呈圓柱形，粗細與鉛筆差不多，把它們裝入兩端密封、長約4米的鋯合金包殼管中，成為一根根細長的核燃料元件棒，然後再把它們按15×15（根）排列成一個正方形，相互間用彈簧將它們固定住，組成像方盒一樣的核燃料組件，在堆芯中有100多個這種核燃料組件，堆芯中除了核燃料組件外，還有控製棒和含硼的冷卻水。控製棒用銀錮鎘材料製成，外麵套上不鏽鋼包殼，粗細和核燃料棒相差不多，並將多根控製棒集成一束。控製棒用來控製堆內核反應的快慢。如果反應堆發生故障，隻要在堆芯中插入足夠的控製棒，在2秒鍾內就會使反應堆停止工作，以確保反應堆的安全可靠。整個堆芯浸在含硼的冷卻水中。反應堆產生熱能由流入堆內的含硼冷卻水帶至蒸汽發生器，將蒸汽發生器管外的水加熱成高壓蒸汽，