1.三種放射線1895年，在倫琴發現X射線的那一年，年輕的盧瑟福從新西蘭遠渡重洋來到英國，到有名的卡文迪許實驗室學習和工作。湯姆遜熱情地歡迎了他。一開始，他研究剛發現的X射線。當貝克勒耳發現放射線以后，在湯姆遜的建議下，盧瑟福立即轉而研究放射線。盧瑟福把鈾裝在鉛罐里，罐上只留一個小孔，鈾的射線只能由小孔放出來，成為一小束。他用紙張、云母、玻璃、鋁箔以及各種厚度的金屬板去遮擋這束射線，結果發現鈾的射線并不是由同一類物質組成的。其中有一類射線只要一張紙就能完全擋住，他把它叫做“軟”射線；另一類射線則穿透性極強，幾十厘米厚的鋁板也不能完全擋住，他把它叫做“硬”射線。 正在這時候，居里夫婦發現了鐳，并且用磁場來研究鐳的射線。結果發現在磁場的作用下，射線分成兩束。其中一束不被磁場偏轉，仍然沿直線進行，就像X射線那樣；另一束在磁場的作 用下彎曲了，就像陰極射線一樣。 用磁場研究射線，在卡文迪許實驗室里可是拿手好戲，實驗室主任湯姆遜在不久之前就是利用磁場、電場來研究陰極射線而發現電子的。居里夫婦的研究情況傳到了英國，盧瑟福立刻用更強的磁場來研究鈾（這時他手中還沒有新發現的鐳）的射線。結果，鈾的射線被分開了，不是兩股，而是三股。新發現的 一股略有彎曲，盧瑟福把它叫做α（阿耳法）射線；那一股彎曲得很厲害的叫做β（貝他）射線；不被磁場彎曲的那一股叫做γ（伽瑪）射線。 盧瑟福分別研究了三種射線的穿透本領。結果是： α射線的穿透本領最差，它在空氣中最遠只能走7厘米。一薄片云母，一張0.05毫米的鋁箔，一張普通紙都能把它擋住。 β射線的穿透本領比α射線強一些，能穿透幾毫米厚的鋁片。 γ射線的穿透本領極強，1.3厘米厚的鉛板也只能使它的強度減弱一半。 2.盧瑟福的α 粒子散射試驗實驗用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小，但有少數α粒子發生角度比湯姆森模型所預言的大得多的偏轉，大約有1/8000 的α粒子偏轉角大于90°，甚至觀察到偏轉角等于150°的散射，稱大角散射，更無法用湯姆森模型說明。1911年盧瑟福提出原子的有核模型(又稱原子的核式結構模型），與正電荷聯系的質量集中在中心形成原子核，電子繞著核在核外運動，由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角散射。盧瑟福的散射公式后來被蓋革和馬斯登改進了的實驗系統地驗證。根據大角散射的數據可得出原子核的半徑上限為10-14米，此實驗開創了原子結構研究的先河。這個實驗推翻了J.J.湯姆森在1903年提出的原子的葡萄干圓面包模型，認為原子的正電荷和質量聯系在一起均勻連續分布于原子范圍，電子鑲嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振動，為建立現代原子核理論打下了基礎。 3.質子發現：線索：He2 的發現 放射性物質的三種射線，一種是純粹的電，一種是純粹的能量，只有剩下的一種，是實實在在的物質——氦氣。 當未變成氦氣的帶有正電的射線去撞擊金箔時，它穿過去了，或許原子之內還有虛空。有一部分轉向了，或許金箔之內有扭轉的力。 盧瑟福被公認為質子的發現人。1918年他任卡文迪許實驗室主任時，用α粒子轟擊氮原子核，注意到在使用α粒子轟擊氮氣時他的閃光探測器（盧瑟福α粒子大角度散射實驗采用ZnS(Ag)屏）紀錄到氫核的跡象。質子命名為proton，這個單詞是由希臘文中的“第一”演化而來的。盧瑟福認識到這些氫核唯一可能的來源是氮原子，因此氮原子必須含有氫核。他因此建議原子序數為1的氫原子核是一個基本粒子。在此之前尤金·戈爾德斯坦（Eugene Goldstein）就已經注意到陽極射線是由正離子組成的。但他沒有能夠分析這些離子的成分。盧瑟福發現質子以后，又預言了不帶電的中子存在。盧瑟福說，“根據計算，原子核還應該有另外一種微粒存在。并且，這種微粒不帶電，它幾乎和質子質量一樣，由一個電子和一個質子構成，并存在于原子核中。” 4.中子發現：1932年，伊倫·約里奧-居里和約里奧-居里發現如果使鈹射線（α粒子轟擊鈹放出的射線）通過石蠟板，則其電離作用大大增加。這種效應的產生是由于鈹射線由石蠟中擊出質子所致。鈹射線從石蠟中擊出的質子，在空氣中的射程為40厘米，大約相當于5兆電子伏特的能量。若假定質子是由于與γ光子作用，發生彈性碰撞而被加速，則γ光子應該具有大約55兆電子伏特的能量，此值比由鉛吸收得到的7兆電子伏特大很多。55兆電子伏特這個值也不與根據反應式中的質量虧損相符合。由4Be4，2He4、6C13的原子量和轟擊的α粒子的能量，能夠求出按反應式進行過程對應的質量虧損等于0.01665原子量單位（相當于15.5兆電子伏特的能量）。由此可見，γ光子的能量不可能超過15.5（兆電子伏特）。查德威克證明，如果假設鈹在α粒子轟擊下發射出的輻射是由中性的、質量接近于質子的粒子組成的，便圓滿地解釋了這一放射現象，其反應式為 4Be9+2He4→(6C13)→6C12+0n1 因為中子不帶電，所以它從原子和分子的近傍飛過時同它們的相互作用很弱，這就是它的電離本領極小，而穿透本領很強的原因。中子與原子核之間的碰撞，與彈性球之間的碰撞相同，遵守能量守恒和動量守恒定律。利用此二定律可得出對心碰撞時，反沖核的速度為 式中的v′為反沖核速度，v為中子的初速度，Mn為中子的質量，M為反沖核的質量。在中子速度相同的情況下，質量為M1和M2的兩個不同的反沖核的速度v′1和v′2之比為 由此式便可求出中子的質量Mn。由各對不同的核得到相同的中子質量Mn這件事實，證實了查德威克假設：鈹的輻射不是光子，而是質量Mn=1.00893的中子。 5.正電子的發現：正電子雖然有了理論預言，但在實驗上還未發現。19世紀30年代的科學界不輕易承認新粒子的存在。而是認為帶正電的粒子只有質子，所以有人認為狄拉克方程中所出現的帶正電的粒子很可能就是質子，不然為什么在實驗上沒有發現呢？這個想法包括狄拉克本人也曾有過。 1932年狄拉克的預言很快被實驗證實了，那是美國物理學家安德森（1905—1991）在研究宇宙射線在磁場中的偏轉情況時發現的。當時，他正同密立根（基本電荷的測定者）一起研究宇宙線是電磁輻射還是粒子的問題。那時大多數人同意康普頓的論證，認為宇宙射線是帶電粒子，密立根對此很不滿意。安德森于是想弄清楚進入云室的宇宙射線在強磁場作用下會不會轉彎。他在云室中拍攝了一張照片，這張照片使他一夜沒合眼。他發現，宇宙射線進入云室穿過鉛板后，軌跡確實發生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過鉛板時，有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯”了。這就是說，這種前所未知的粒子與電子的質量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預言的正電子。當時安德森并不知道狄拉克的預言，他把所發現的粒子叫做“正電子”。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在。從此以后，正電子便正式列入了基本粒子的行列。 6.強子：強子就是所有參與強力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成，已發現的夸克有六種，它們是：頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。其中理論預言頂夸克的存在，2007年1月30日發現于美國費米實驗室。現有粒子中絕大部分是強子，質子、中子、π介子等都屬于強子。(另外還發現反物質，有著名的反夸克，現已被發現且正在研究其利用方法，由此我們推測，甚至可能存在反地球，反宇宙)奇怪的是夸克中有些竟然比質子還重，這一問題還有待研究。 7、輕子輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種，包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。電子、μ子和τ子是帶電的，所 基本粒子 有的中微子都不帶電，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年發現的重要粒子，不參與強作用，屬于輕子，但是它的質量很重，是電子的3600倍，質子的1.8倍，因此又叫重輕子。 8.傳播子傳播子也屬于基本粒子。傳遞強作用的膠子共有8種，1979年在三噴注現象中被間接發現，它們可以組成膠子球，由于色禁閉現象，至今無法直接觀測到。光子傳遞電磁相互作用，而傳遞弱作用的W+，W-和Z0，膠子則傳遞強相互作用。重矢量玻色子是1983年發現的，非常重，是質子的80一90倍。 9.費米子基本費米子分為 2 類：夸克和輕子夸克 實驗顯示共存在6種夸克（quark），和他們各自的反粒子。這6種夸克又可分為3“代”。他們是 第一代：u（上夸克） d（下夸克） 第二代：s（奇異夸克） c（粲夸克） 第三代：b（底夸克） t（頂夸克） 另外值得指出的是，他們之所以未能被早期的科學家發現，原因是夸克決不會單獨存在（頂夸克例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實驗無法制造）。他們總是成對的構成介子，或者3個一起構成質子和中子這一類的重子。這種現象稱為夸克禁閉理論。這就是為什么早期科學家誤以為介子和重子是基本粒子。 輕子，共存在6種輕子（lepton）和他們各自的反粒子。其中3種是電子和與它性質相似的μ子和τ子。而這三種各有一個相伴的中微子。他們也可以分為三代： 第一代：e（電子）（電中微子） 第二代：（μ子） （μ中微子） 第三代：（τ子） （τ中微子） 10.玻色子 玻色子（英語：boson） 是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。規范玻色子 這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱為“規范玻色子”，是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規范場理論有很密切的關系。 自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規范玻色子分成四類。 引力相互作用：引力子（graviton） 電磁相互作用：光子（photon） 弱相互作用（使原子衰變的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有3種。 強相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子（gluon） |
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