介子的发现与研究

介子的发现与研究

韩瑞功

韩瑞功（潍坊科技学院山东寿光262700）

【摘要】介子的发现与研究是物理学发展史上重要的史学研究性标志，也正是由于这些粒子的研究与发展，推动了对原子物理学的发展，为人类探索微观粒子的构成奠定了坚实的理论与实践基础。

【关键词】物理；介子；发现；研究；探索；研究

中图分类号：Ｇ62文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2015）06-005-01

2003年全国高考理综（新课程卷）第Ⅰ卷第22题中说道："K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的基元电荷，π0介子不带电。"那么，这些介子是如何被发现和进行深入研究的呢？

1、π介子的发现

在研究原子核的性质过程中，科学家逐渐弄清了原子核内部核子之间具有这样的特征：核力是一种短程力，核力的作用半径接近于1.5×10－13厘米，在这个范围内其强度量级相同，超过这个范围，其强度逐渐减弱到可以忽略；核力是一种强相互作用力，原子核内的质子间尽管存在着强大的静电斥力，而其个别粒子仍以7百万电子伏特数量级的能量相结合，这种把核子结合在一起的力显然不能归结为电磁作用力或引力的某种与表现。那么，这是一种什么样的力呢？

科学家海森堡和费米都曾经企图用类似于两个带电粒子间的相互作用是由于相互发射和吸收光子的方法来解决核力问题。海森堡认为，核力是核力间交换一种服从坡色－爱因斯坦统计法的无自旋电子产生的；费米也曾提出，中子和质子是通过相互发射和吸收电子和微子而发生相互作用的。但这些大胆的设想都没有敲开人们认识和研究介子的大门。

1934年10月，日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论，解决了人们长期无法解决的核力问题。汤川秀树（HidikiYukawa,1907－1981）于1907年1月23日出生于日本首都东京。他在小学时就对数学有浓厚的兴趣。在上高中时就曾经研读过著名科学家普朗克的《理论物理引论》，普朗克的思想和科学的研究方法以及创新的思维对汤川秀树产生了极其重要的影响。他1929年取得硕士学位，1938年获得博士学位，是世界上具有很大影响的物理学家之一。1935年10月，汤川秀树在《日本数理学会纪事》上发表了他的核力理论，因此获得了1949年诺贝尔奖。

汤川秀树假设，核力是任意两个核子之间交换一种尚未发现的新的粒子产生的，他在文章中写道："······将海森堡和费米的理论从形式上改变一下，就可以消除这一缺陷。重粒子从中子状态跃迁到质子状态并非始终伴随着辐射轻粒子－电子和中微子，而在时候可能伴随着辐射另一种重粒子，这个重粒子把发生这种跃迁时释放出来的能量带走······。如果后一过程的几率比第一过程的几率大得多，那么中子和质子间的相互作用将比费米理论所预期的强得多，这里辐射轻粒子的几率实际上不变。基本粒子间的这种相互作用可以用力场来描述，就像带电粒子间的相互作用可以用电磁场来描述一样。从上面的讨论得出，重粒子与这个场的相互作用，要比轻粒子与这个场的相互作用强得多。要量子理论中这个场应当相应于一种新的量子（与电磁场相应的是光子）。"

汤川秀树不仅在理论上对介子作了说明，重要的是他通过计算，认为这种新粒子的质量约是电子质量的200倍。因为这种粒子的质量介于质子和电子之间，后来被安德森命名为介子。

汤川秀树的论文于1935年2月发表后，并没有引起国际社会，尤其是物理界的高度重视。1937年，安德森和尼德迈耶等人在宇宙射线的研究中发现了质量为电子质量200倍左右的一种新粒子，人们认为这就是汤川秀树所预言的介子。这样汤川秀树的理论才引起许多科学家的重视。可是研究越是深入，人们越是发现这种粒子不象是汤川秀树所预言的粒子。因为这种粒子与原子核的相互作用很弱，差不多比电磁作用还弱1011倍，当然就不可能是汤川秀树所预言的那种粒子了。1947年，英国物理学家鲍威尔和他在布里斯托的同事在用核乳胶技术探测宇宙射线的实验中，发现了一种质量约为电子质量272倍的粒子，称为π介子（meson或spions）。这种粒子与原子核具有很强的相互作用。直到这时，汤川秀树理论才得到证实。1950年鲍威尔因发现了π介子而获得诺贝尔物理奖。

汤川秀树的核力理论给出了粒子之间相互作用的一种重要的物理机理，后来人们称之为汤川型相互作用。汤川秀树对粒子物理的发展和研究具有重大的意义，特别是在粒子物理发展的初期，它起到了重要的推动作用。随着人们对粒子物理的认识和科学家对粒子物理的不断深入研究，人们认识到核力的机理实际上比汤川秀树理论报阐述的要复杂得多，目前对核力的本质仍在继续研究和探索中！

2、奇异粒子的研究

到1947年发现了介子为止，人们认识到的粒子已达十四种之多：光子（γ）、电子（e-、e+）中微子（ν两种）、介子（μ-、μ+、π-、π+、π0）、质子（p两种）、中子（n两种）其中中微子、质子、反中子、π0介子是当时已预言而尚未被实验所证实。就在这一年，罗切斯特（CeorgeDixonRoechester,1908－）和巴特勒（Clif-fordCharlseButler,1922－）在宇宙射线实验中首次得到了后来被称为奇异粒子的径迹照片。在这张照片中，发现了一些形状像字母V的径迹，根据其径迹形状，人们称它为V粒子，后来叫做K0粒子和K＋介子。对于这些粒子的特性，只有到了1954年利用高能加速器在实验中产生奇异粒子时才得到了系统的研究和精确的测定。

所谓奇异粒子是指1950年前后实验中所发现的一大批新的粒子，如K＋、K0、K－、Λ、Σ0、Σ＋、Σ－、Ξ0、Ξ＋等粒子的总称。这些粒子具有以下明显特征：

1、这些粒子总是协同产生，非协同衰变，而且通过强相互作用而产生，通过弱相互作用而衰变。也就是说，在碰撞过程中至少有两个奇异粒子一起产生，然后每个奇异粒子再分别独立地衰变消失掉，最后衰变成的粒子是过去已知的粒子，而不再是奇异粒子。

2、这些粒子产生时非常迅速，而衰变过程却是很缓慢的。奇异粒子产生时碰撞经历的时间的数量级为10－24秒，而它们衰变的平均寿命则为10－10秒或更长，二者的数量级相差1014倍。

也正是由于这些粒子的研究，推动了原子物理学的发展，为人类探索微观粒子的构成奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]物理学与应用技术[M]，韩瑞功主编，清华大学出版社，2008,8