摘要：一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯。今天，让我们一起走进《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》，了解19世纪末到20世纪前半叶的粒子物理学的创新成果。

一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯。今天，让我们一起走进《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》，了解19世纪末到20世纪前半叶的粒子物理学的创新成果。

在19世纪末20世纪初，物理学明显进入了一个新时代的黎明时期。阴极射线、光电效应、放射性、塞曼（Zeeman）效应、X射线，以及里德伯（Rydberg）的光谱谱线定律都是当时的新发现。

除此之外，人们对于电可能具有的原子结构也进行过很多讨论。但除非有定量的实验证据，否则没有任何一种哲学性的讨论能够作为科学的真理来加以接受。

比如1897年，开尔文勋爵（Lord Kelvin）仍旧写道：“电是一种连续、均匀的液体。”这种意见还值得加以谨慎考虑。

在同一年，汤姆孙（J.J.Thomson）完成了他的著名实验，测定了阴极射线的电荷量和质量的比值e/m。

汤姆孙使用的实验仪器

汤姆孙求得的阴极射线的荷质比，比在电解过程中测定的离子的相应数值要大得多，它们之间相差达几千倍。汤姆孙断定阴极射线是由质量比离子小得多的粒子所组成的，而且它带有负电荷。他称这种粒子为“微粒”，并称它所带的电荷——代表电荷的基本单位为“电子”。不过，在后来人们所惯用的名词中，该粒子本身就被称为“电子”。这样便诞生了被人类所认识的第一种基本粒子。

几乎与此同时，汤姆孙和他的学生在其他实验中也近似地测定了离子所带电荷+e的数值。汤姆孙于是对原子结构进行了探讨，并且提出了如下的假设：一个原子包含Z个电子，每个电子带有电荷–e，以平衡位置埋置在连续分布、总量为+Ze的正电荷中，形成一个不带电的原子。

原子的质量存在于分散的正电荷中。由于电子很轻，因此很容易受到扰乱。当受到扰乱时，电子就围绕着平衡位置振荡，并由此产生辐射。

在假定正电荷呈均匀的球形分布后，汤姆孙计算了电子的振荡频率，并断定它们就是在光谱中所观察到的频率。利用这个方法，他得出了非常准确的结论：原子的半径约为10‾⁸厘米。

汤姆孙于1903年在耶鲁大学作西列曼讲座时所画的一张包含3个电子的原子图

下一个主要的进展来自1911年卢瑟福勋爵（Lord Rutherford）对于α粒子穿过薄箔的研究。α粒子是在天然放射现象中发现的，在1911年前后，人们就已经知道它是带有电荷+2e、质量为氢原子4倍的粒子。

汤姆孙在此之前指出，由于下列理由，α粒子穿过他所假想的原子时的路径多半是一条直线：与电子相比，α粒子的质量很大，因而将不受电子影响而产生偏转；在原子中，正电荷具有分散分布的性质，因而它们对α粒子的影响也很微弱。

卢瑟福断定，由于薄箔很自然地包含许多原子，因此α粒子穿过薄箔后所产生的任何大角度偏转，将是许多同方向小角度偏转的统计巧合。

和这一类统计涨落的通常情况一样，大角度偏转角的分布应遵循高斯误差曲线，并且偏转的均方根角应与α粒子和原子相遇次数的平方根，或与薄箔厚度的平方根成正比。

卢瑟福指出，这两个结论都与当时已有的实验数据不符。因此，他又提出另外一种假设：原子中的正电荷集中在一个很小的区域中。

事实上，从实验数据可以推断，这个区域的直径一定小于

厘米。这就是著名的卢瑟福原子图像，它由一个带有电荷+Ze的小核和Z个围绕着核的电子组成。

一年之后，他的学生盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）为这种原子图像提供了出色的实验证据。

玻尔（N.Bohr）于1930年在法拉第讲座（Faraday Lectures）中讲道：

首先我们意识到，原子的正电荷局限在实际上无限小的区域内，这将使物质性质的分类被大大地简化。

事实上，这样我们就可能认识到那些完全取决于原子核总电荷和质量的原子性质与那些直接依赖于原子核内部结构的原子性质之间的深远区别。根据经验，放射性是后一类性质的典范，它与物理和化学条件无关。

物质通常的物理和化学性质，主要取决于原子的电荷和质量，也取决于原子核周围的电子组态。原子对外界影响的反应就是由这种电子组态所决定的。

此外，在一个孤立而不受外界影响的原子中，这种电子组态几乎全部由原子核的电荷所决定，和原子核的质量关系不大。与电子的质量相比，原子核的质量是如此巨大，以至于和电子的运动相比，作为一级近似，原子核的运动可以忽略不计。

从带核的原子模型得出的这些简单推论，确实提供了对于下列事实的直接说明：两个原子量不同而且放射性质也截然不同的元素，可能在其他性质方面是如此相似，以至于不能通过化学方法将它们分离开来。

在同一讲座的较后部分，他又讲道：

在涉及物质的一切普通性质的相互联系方面，卢瑟福的原子模型摆在我们面前的任务使我们追忆起哲学家古老的梦想：将对自然规律的解释还原为对纯粹的数的考虑。

在这样一种充满着新的发现所引起的激动，以及期待更基本、更有普遍意义的发现来临的气氛中，玻尔提出了著名的氢原子理论。

普朗克（M.Planck）在研究黑体辐射理论的工作中，曾经得到一个和实验结果相符的经验公式。然而，这个公式和电磁辐射的经典概念相矛盾。为了解释这个经验公式，他在1901年大胆地假定了电磁辐射只能以某种单位或量子来释放或吸收。

每个量子具有能量hv，其中，v是辐射的频率，h是普朗克所引入的一个普适常数，后来被称为普朗克常数。

这个关于能量在物质和辐射场之间转换的量子化概念在1905年为爱因斯坦（A.Einstein）所接受，并加以讨论和具体发展。这对玻尔建立起他的原子理论起到了重要作用。

在1913年以后，物理学家付出了巨大的努力，特别是通过玻尔的对应原理来求得对量子概念更为全面的了解，并且将原子的化学性质和量子结构联系起来。

在这里不可能描述量子力学的原理，即使是非常概括性的。然而，为了便于理解我们之后讨论的内容，这里必须对量子力学的某个特殊方面加以介绍。

普朗克、爱因斯坦和玻尔首先提出了辐射场量子概念的观点，而辐射场在经典物理学中一向被视为波。

波的这种粒子性首先被密立根（R.A.Millikan）在1916年关于光电效应的实验所证实，之后在1923年又被康普顿（A.H.Compton）的发现所证实。

康普顿发现，当X射线（电磁波）和电子碰撞时，前者在动量和能量转换上的表现和粒子一样。这些代表X射线的粒子被称为光子。

实验证实，光子的波长λ和动量p能够满足它们的乘积等于普朗克常数h的条件。之后德布罗意（L.de Broglie）在1924年发表的文章中提出了这样的一个问题：如果波显示出粒子性，那么粒子是否也会显示出波动性呢？

他假设应该会，而且假设正和光子的情况一样，与粒子相联系的波的波长是h除以动量。这种极为大胆的假设，使他提出了电子在轨道中的图像。

电子在轨道中的图像

他认为，如果轨道周长不是波长的整数倍，如上图的左半部分所示，则波就不能发生谐振。然而情况如果如图的右半部分所示，则波就会发生谐振，因此这种轨道代表被允许的轨道。按照这个途径，德布罗意利用富有启发性的方法，实际上获得了玻尔在1913年提出的量子条件。

1926年，薛定谔（E.Schrödinger）对这个方法加以探讨，得出了作为量子力学基础之一的薛定谔方程。

在量子力学中，粒子表现出波动性，它的波长和动量成反比。为了将波局限在空间内的一个小区域中，必须使用波长比这个区域的尺寸更小的波。因此为了探索越来越小的空间区域，我们必须用动量越来越大的粒子来使与粒子相联系的波长能够小到与所探索的空间区域相适应。

表1解释了为什么我们要建造体积越来越大和能量越来越高的粒子加速器

玻尔曾描述由于卢瑟福原子图像所引起的关于原子和分子的现象与原子核现象之间在概念方面的重要区别。

随着量子力学的发展，人类对原子现象和分子现象的了解达到了一个定量、全面和深入的水平。然而直到今天，我们对于原子核还缺乏类似的了解。

在很多意义上，1930年前后的那一段时期和1900年前后的那一段时期非常相似，后者是原子物理时代的黎明时期，而前者则是核物理时代的黎明时期。

在这个新时代中发现的第一种基本粒子是中子。约里奥—居里（Joliot-Curie）夫妇在1932年发现，在来自钋源的α粒子的轰击下，铍放射出穿透力很强的电中性粒子，它能够将放在计数管前面左边的含氢物质中的质子击出。我们会很自然地假定这种电中性粒子是光子。

约里奥—居里夫妇所用的实验装置

但是由于它没有质量，因此要将被观察到的质子击出，就需要具有惊人能量的光子。事实上，他们得出的结论是，光子要具有超过50兆电子伏的能量，这在当时看来是非常高的能量。

当这些结果公布后，查德威克（J.Chadwick）立即在英国剑桥大学重复了同样的实验，并且证明穿透力很强的粒子不是无质量的，而是具有和质子相近的质量。

实际上，早在1920年，卢瑟福就已经讨论过这种电中性粒子，而且把它称为“中子”。在20世纪20年代，虽然人们进行了许多次实验来寻找它，但是都没有获得任何结果。

随着中子的发现，人们立刻就清楚地了解到绝大多数原子核是由数目几乎相等的中子和质子所组成的。对中子质量所做的更为精确的测量，显示出它比质子重得多。

后来人们又认识到中子将因此而不稳定，应当以β辐射的形式，衰变为一个电子和一个质子，而这种β放射性现象约从1900年起就已经为人所知了。

然而，β衰变实验一般都表明，为了保持能量守恒，需要一种新的电中性粒子来带走多余的能量。这种新的粒子被费米（E.Fermi）称为“中微子”。因而，我们了解到中子的衰变过程是：

其中，n和v分别代表中子和中微子。

在1932-1933年中，人们又发现了另外一种新的粒子——正电子。这个发现在利用了一种设计极端巧妙的被称为云室的仪器以后才成为可能。这种仪器是威尔逊（C.T.R.Wilson）所发明并且随后加以改进的。云室中的带电粒子在湿空气中——通过突然的膨胀使之过饱和——留下一条由水滴组成的可见径迹。

威尔逊曾用来拍摄很多美丽照片的云室

1932年，美国加州理工学院的安德森（C.D.Anderson）利用类似的云室拍摄了一个带电粒子由画面底部进入的照片。由于云室内有强磁场，因此它沿着弧形路径前进。在穿过6毫米厚的铅板以后，它的速度减慢了，因而路径的曲率增大。

美国加州理工学院的安德森利用类似的云室拍摄的照片

路径的上半部分（而不是下半部分）的曲率比较大这个事实证明粒子一定是由下而上运动的。知道了粒子的运动方向后，安德森就能够推断它所带的电荷是正的。

根据穿过铅板以后的曲率改变的幅度，他进一步证明了这种粒子比质子要轻得多。安德森断定这种粒子具有和电子一样的质量，并称之为“正电子”。

实际上，在1930-1931年就已经有人从理论上预言了正电子的存在。这种预言是基于狄拉克（P.A.M.Dirac）所提出的关于电子的出色理论，它导出了所谓在正反粒子共轭下的不变原理。

该原理的一个推论是：每一种粒子一定具有一种电荷共轭粒子，即反粒子，它的质量和原来的粒子相同，电荷量相等而符号相反。安德森所发现的正电子是电子的反粒子。

今天我们通常所接受的被称为中微子的粒子，和费米首先加以讨论的粒子不同。我们现在将中子衰变时发射的电中性粒子称为反中微子：

光子γ的反粒子就是它自己。在上图的底部，电荷量下面的一行表示粒子内部的角动量或自旋。它们的单位是普朗克常数除以2π。根据量子力学的原理可以直接推断，用这种单位所表示的角动量应当是1/2的倍数。实验结果与此完全符合。

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来源：北京科协一点号