物理学与人类文明讲电子教案第十一章.pptVIP

第十一章 粒子与对称 思考题 汤川秀树如何估算介子质量？ 什么是狄拉克真空？什么是反物质？ 为何正反电子对湮灭必须生成两个光子，而不是只生成一个光子？ 谈谈对称性与守恒律的关系。 微观世界的对称性与作用力有关吗? 什么是夸克模型？夸克有颜色吗？质子、中子、电子是否有颜色？ 大量中子与质子 聚集在原子核的狭小空 间里，它们靠核力来克 服正电荷之间的推斥力。 核力是一种短程力，只 在原子核大小的尺度 （10-15 米）下存在。 它是一种很强的吸引力。 由于它比电磁力强得 多，人们称之为强相互 作用（强力）。 1935年, 日本物理学家汤 川秀树提出交换力的思想来解 释核力，并因此获得了1949年 诺贝尔物理奖。他认为质子与 中子等核子之间的核力，是由 于交换某种粒子而产生的，汤 川还利用测不准关系，预言了 这种粒子的质量。 汤川是这样估算传播核力的粒子的质量的：核子间 交换粒子的过程能量不守恒，因此只能是虚过程，交换的 粒子只能是虚粒子，虚粒子可视为以光速c传播。这种粒子 实化后的质量大约为 此外，在10-17 米的尺度下，某些基本粒子之间 还存在另一种短程力，由于它比电磁力弱得多，人们 称之为弱相互作用（弱力）。 以后的研究表明，原子核中的质子也可能衰变为中 子、正电子和中微子。人们发现中微子有正反两种，β 衰变也有两种情况： 中子→ 质子 + 电子 + 反中微子 质子→ 中子 + 正电子 + 中微子 需要说明，不管是原子核里的中子还是核外的自由中子 均可衰变为质子。但核外的自由质子是稳定的，不能衰 变为中子。只有原子核内的质子才可能衰变为中子。 海森堡与薛定谔建立的量子力学是非相对论的，只能 描述低速运动的粒子，不能描述近光速运动的粒子，更不 能描述粒子的转化。克莱因和 高登给出了第一个相对论性的 量子力学方程，它实际上就是 薛定谔最初给出的量子力学方 程，由于不能正确得出原子光 谱的计算，薛定谔不得不放弃 了它，退而寻求非相对论性的 量子力学方程。 1928年， 年轻的英国物理 学家狄拉克给出 了另一个相对论 性的量子力学方 程，即后来所称 的狄拉克方程。 狄拉克看到了克莱因—高登方程的困难，想建立 一个避免上述困难的方程来描述电子的高速运动。他 提出一个崭新的真空概念，并巧妙地利用泡利不相容 原理克服了负能困难。 狄拉克描绘出电子能级图。从图可知，存在能量 E ? m0c2的正能电子，也存在能量E ? － m0c2的负能电子。 正负能态之间是禁区，也就是说，不存在能量为 － m0c2 〈E〈 + m0c2 的电子。 狄拉克提出“真空不空”的思想。他认为，真空是 能量最低的状态。“能量最低”不仅意味着没有正能粒 子，而且意味着存在最多的 负能粒子。 狄拉克对真空的认识对不对呢? 他提出了一个可 以检验的预言。他认为，可以打击真空，让负能电子 跑出来。 在此后的研究中，人们终于认识到，用γ射线轰击重 核产生正负电子对的现象，并非是用“铁锤（γ射线）” 打击位于“铁帖（重核）”附近的真空，从真空中打出了 正负电子对。而是γ 射线在撞击重核时， 自身转化为正负电子 对。此过程之所以需 要有重核存在，是为 了保证整个过程动量 守恒。 另一方面，一个电