天文學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)，目前已知的最輕的基本粒子--中微子，具有10億分之一氫原子的質(zhì)量。這是天文學(xué)家們采用英國和澳大利亞望遠(yuǎn)鏡"2度視場星系紅移調(diào)查器"發(fā)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)將在4月10日召開的英國國家天文學(xué)會議上發(fā)表。
這臺望遠(yuǎn)鏡已產(chǎn)生世界最大的由22萬個星系組成的立體星系目錄。30名天文學(xué)家組成的研究小組正在分析這個目錄，以解答有關(guān)宇宙的基本問題。在宇宙中可能占有不到暗物質(zhì)1／5的中微子通常以3種形式出現(xiàn)，長期被認(rèn)為沒有質(zhì)量。近年來，日本等國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)中微子有質(zhì)量。天文學(xué)家現(xiàn)在知道，宇宙的可見部分諸如恒星和星系僅構(gòu)成其總質(zhì)量的一小部分。中微子與光沒有相互作用，因此是宇宙中神秘不可見的暗物質(zhì)的重要候選者。為了研究中微子對宇宙的影響，劍橋大學(xué)天文學(xué)研究所的埃爾加諾和拉哈夫領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)小組，利用"2度視場星系紅移調(diào)查器"繪制的星系分布，與宇宙模型中質(zhì)量值不同的中微子狀態(tài)下物質(zhì)如何分布的理論計算進(jìn)行了比較，得到的結(jié)論是，中微子的質(zhì)量必定小于10億分之一氫原子質(zhì)量。同時他們認(rèn)為，在宇宙中，中微子構(gòu)成不到20％的暗物質(zhì)，而其余的暗物質(zhì)必定以目前尚不知道的形式構(gòu)成。拉哈夫說，暗物質(zhì)已困惑了天文學(xué)家70年之久，如果中微子確實有質(zhì)量，宇宙中物質(zhì)和能量的組成會比目前想像的更為復(fù)雜。未來幾年內(nèi)，科學(xué)家將完成對幾百萬個星系紅移的調(diào)查，從而得到更為精確的中微子質(zhì)量值。拉哈夫說，最新的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)表明，宇宙是一個不可思議的暗地區(qū)，它可能像愛因斯坦最早提出的由宇宙常數(shù)代表的4種實體構(gòu)成，其中3種頗為奇異：普通物質(zhì)、中微子及另一種形式的暗物質(zhì)，即所謂暗能量或真空狀態(tài)能量。
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來自10個國家的科學(xué)家組成的研究小組通過實驗證實，基本粒子中微子具有質(zhì)量的概率為99.99％。日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)和東京大學(xué)宇宙射線研究所的科學(xué)家參與了此項實驗。
中微子是一種非常小的基本粒子，廣泛存在于宇宙中，共有電子中微子、μ中微子和τ中微子三種形態(tài)，其中只有前兩者能被觀測到。它可以自由穿過地球，不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因而難以捕捉和探測，被稱為宇宙間的“隱身人”。
研究小組的實驗包括中微子的發(fā)射和探測，以及分析。位于茨城縣筑波市的高能加速器研究機(jī)構(gòu)的研究人員利用120億伏的質(zhì)子加速器產(chǎn)生中微子，并向外發(fā)射，距發(fā)射地點250公里遠(yuǎn)的東京大學(xué)宇宙射線研究所則利用安裝在地下1000多米深處的超級監(jiān)測器SK，觀測到了發(fā)射的中微子。根據(jù)理論值，研究人員最終應(yīng)捕獲到中微子150個，而實際捕獲中微子的數(shù)量只有108個。
研究人員認(rèn)為，未能捕獲到的中微子在穿過大氣和地球時發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，即從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種，變?yōu)闄z測不到的τ中微子。根據(jù)量子物理的法則，粒子之間的相互轉(zhuǎn)化只有在其具有靜止質(zhì)量的情況下才可能發(fā)生。這說明，中微子具有靜止質(zhì)量。實驗數(shù)據(jù)顯示，中微子有質(zhì)量存在的概率為99.99％。
研究人員將在下周于巴黎舉行的一個國際會議上公布他們的研究成果。1998年，日本曾推斷中微子具有質(zhì)量，這次實驗則是對推斷正確性的驗證。國際研究小組今后將繼續(xù)收集有關(guān)數(shù)據(jù)，提高中微子產(chǎn)生后的觀測精度和中微子震動觀測精度。
從1987年人們觀測到來自超新星的中微子至今，中微子的研究已經(jīng)發(fā)展為基本粒子物理學(xué)及宇宙物理學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)。研究小組的發(fā)現(xiàn)對揭開宇宙的物質(zhì)和反物質(zhì)之謎具有重要意義。 （記者 陳超）
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| 圖為東京大學(xué)宇宙射線研究所使用的研究設(shè)施———超級監(jiān)測器SK。 |
集合天然粒子
在自然界中，有一些元素的原子核會放出射線，叫天然放射性同位素。提起放射性，人們腦海中會很快出現(xiàn)一個熟知的圖畫，這個圖畫告訴人們，有3種射線：α（氦原子核）、β（電子）和Y（光子）。y不帶電，穿透本領(lǐng)大；β帶負(fù)電，穿透本領(lǐng)次之；α帶正電，穿透本領(lǐng)最小。
原子核為什么會放出粒子呢？前面談到過中子的衰變：n→p＋e-+Ve。在原子核內(nèi)，質(zhì)子也會衰變：p一n＋e+Ve。我們看到，核內(nèi)不但會放出β，還會放出正電子e+（β+），和正反電子中微子Ve和Ve放出α的解釋比較復(fù)雜，但放出Y和X射線的問題比較簡單：處在激發(fā)狀態(tài)的原子核（能量較高），回到正常狀態(tài)（能量較低，稱為基態(tài)）時，以Y射線的形式，釋放出多余的能量。而X射線的放出，則是原子中的內(nèi)層電子，被原子核抓去后，多余能量的釋放。
原子核放出粒子后，核的類型也要變化。如鐳核放出α（氦核）后，變?yōu)檠鹾耍?26/88鐳一222/86氡+α（4/2氦）下標(biāo)是核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，上標(biāo)為核內(nèi)質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)的和，也叫質(zhì)量數(shù)。同樣，可以寫出其他幾種放射粒子的過程：3/1氚一3/2氦十β-22/11鈉一22/10氖十β+55/26鐵十e-一錳十X最后一個式子，是鐵核俘獲核外電子，放出X射線的過程。
天然放射性同位素，數(shù)量少，品種不多，提純工藝復(fù)雜，價格很貴。所以，現(xiàn)在用的同位素，絕大多數(shù)為人工制取。
把介子從阿爾法物質(zhì)上剝離出來波
從核聚變反應(yīng)中挖掘無盡能量的嘗試被證明是令人心焦的艱難。目前，科學(xué)家們?nèi)匀辉谑褂媚芙?jīng)受原子核聚變所需要的壓力及溫度的巨型反應(yīng)堆。但還有一種方法，那就是讓一種被稱為介子的物質(zhì)在原子核周圍緊緊擠在一起。把介子從阿爾法物質(zhì)上剝離出來。
以介子為觸媒的聚變面臨著兩大障礙。目前，一個國際研究小組已經(jīng)解決了其中一個問題。他們用一種干凈利落的方法累計每個介子在衰減前所產(chǎn)生的核反應(yīng)數(shù)量。與此同時，一個由日本物理學(xué)家組成的科研組正努力攻克一個難關(guān)。
介子首先取代一個圍繞氚原子核--一種較重的氫的同位素--動行的電子從而形成介子氚，從而幫助了聚變的發(fā)生。此時如果加入一個氘原子核，就會產(chǎn)生一個復(fù)合原子核。環(huán)繞在該復(fù)合原子核周圍的介子對其進(jìn)行擠壓直至其聚合形成氦原子核，或稱為阿爾法物質(zhì)。
因為介子進(jìn)行擠壓，所以并不需要高溫高壓。研究人員們不太愿意使用"冷聚合"這個詞來描述這項技術(shù)。研究小組組長、在大不列顛省溫哥華TRIUMF物質(zhì)物理實驗室工作的格林o瑪修稱"但這個過程的確比其他任何方法所經(jīng)歷的過程溫度更低。"為了獲得可觀的產(chǎn)量，在介子氚接近氘原子核的過程中其能量必須維持在一個很低的水平上（在大約1個電子伏特）。在早期的研究工作中，研究人員使用的是"霰彈槍"的方法，就是向一個氘原子核目標(biāo)散射帶有不同能量的物質(zhì)。然而瑪修的小組發(fā)現(xiàn)，介子氚所攜帶的能量在1個電子伏特時，其將會從氚氫混合物中逃逸出來?，斝蕹姓J(rèn)這只是一個偶然的發(fā)現(xiàn)。我們利用這個事實來遴選帶有合適能量的原子。 研究人員們將一束帶有1電子伏特的介子氚發(fā)射到被壓縮到一片金箔上的氘且將整個過程冷凍到約3開氏度。當(dāng)根據(jù)探測由此產(chǎn)生的阿爾法物質(zhì)來測算每個介子所引發(fā)的聚變次數(shù)時。他們將發(fā)射比率提高到"霰彈槍"方法的100位。日本國家物理化學(xué)實驗室的肯o納哥麥恩稱："這是一個非常有趣也非常重要的步驟。"
納哥麥恩的研究小組正致力于攻克困擾介子聚變的另一個難題。在反應(yīng)堆核中，每個介子在其自然生命周期完結(jié)之前得催化大約300次聚變。問題在于，在反應(yīng)結(jié)束是時候帶負(fù)電的介子很容易"貼"上帶正電的阿爾法物質(zhì)。
納哥麥恩稱，在適合的條件下介子會自由由解體。"我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生高能反作用的設(shè)備，這種設(shè)備能把介子從阿爾法物質(zhì)上剝離出來。"他補充道。
中子其實有電荷
以往的理論認(rèn)為中子不帶電荷，然而美國弗吉尼亞州湯馬斯·杰佛遜國家加速器實驗室最新的實驗結(jié)果表明，中子的中心帶有正電荷，中子的表面帶有負(fù)電荷。湯馬斯·杰佛遜加速器實驗室在美國物理學(xué)會和美國天文學(xué)會共同舉行的會議上，正式報告了這一最新研究成果。
幾十年來，物理學(xué)家利用電子轟擊核子（中子和質(zhì)子）的實驗來研究核子的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家認(rèn)為，由電子散射的軌跡，有可能推測出核子的電荷和磁場的位置和強(qiáng)度。在以前的實驗中，馬斯·杰佛遜加速器實驗室的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子的電荷和磁場的分布是不同的。為了解中子的電荷結(jié)構(gòu)，研究小組在實驗中對冷氘進(jìn)行了分析。冷氚是氫的同位素之一，含有一個中子和一個質(zhì)子。他們繪制出約為中子直徑4％的電荷分布圖，分布圖顯示，中子內(nèi)核帶正電，而外層則帶負(fù)電。
該實驗室理論物理學(xué)家格羅斯認(rèn)為，這項新的研究成果將有助于科學(xué)家在比中子更大或更小的規(guī)模上，更深入地了解物質(zhì)。格羅斯說，實驗數(shù)據(jù)清楚地顯示出中子和質(zhì)子的基本構(gòu)塊-夸克的相互作用和位置，這些數(shù)據(jù)也可能揭示出中子和質(zhì)子本身如何排列以形成原子核。
找到了頂夸克
1995年3月，美國費米實驗室的科學(xué)家宣布他們已經(jīng)找到了頂夸克。他們用兩臺加速器CDF和DZERO分別捕捉到了頂夸克的蹤跡。頂夸克的真實面貌在數(shù)萬億次的質(zhì)子和反質(zhì)子的高能對撞中逐漸地顯現(xiàn)出來了。
質(zhì)子和反質(zhì)子在接近光速的對撞中產(chǎn)生了頂夸克和反頂夸克，頂夸克差不多立即分裂成物理學(xué)家可以察覺到的其他粒子顯示出來。然而，由于其他亞原子微粒能模擬頂夸克的某些特征，因此，研究人員必須留意將真正的頂夸克衰變和那些"背景"事件區(qū)分開來。
從數(shù)萬億次的對撞中，CDF小組識別出頂夸克出現(xiàn)的事件約40次，這其中可能還有12次的背景事件。從這些資料中，物理學(xué)家們算出頂夸克的質(zhì)量為1760億電子伏(表示能量的單位)，正負(fù)誤差為130億電子伏。
DZERO小組發(fā)現(xiàn)了17次頂夸克出現(xiàn)的事件，他們算出的頂夸克質(zhì)量為1990億電子伏，正負(fù)誤差為300億電子伏。
由于兩臺探測器是不相同的，所以記載的資料也不相同，但是產(chǎn)生粒子的物質(zhì)過程和與探測器發(fā)現(xiàn)的粒了應(yīng)該是一樣的。
叢原子到基本粒子
--向亞原子的世界進(jìn)軍
尋找基本粒子之路：
盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核以后，原子研究成為物理學(xué)家的熱門研究領(lǐng)域，原子不可分的觀點消聲匿跡，物理學(xué)家們不僅不再相信原子是物質(zhì)的最小組塊，而且認(rèn)為比原子小得多的原子核也是一個龐大而神秘的家族。
物理學(xué)家們?nèi)σ愿疤接懺訉W(xué)中的三大問題：第一，如何描繪可供人們直觀想象的原子核 藍(lán)圖。第二，原子核中的作用力是何種性質(zhì)的力?第三，原子核中的各種成員受什么力學(xué)規(guī) 律支配? 回答這三個問題都牽涉到原子核中的一些更小的微粒，也就是原子核物理中所說的基本粒子。
物理學(xué)家們盡管已拋棄了原子不可分的觀點，但忍不住還是要問物質(zhì)究竟是由哪些基本粒子組成的呢?這個問題提出本身就隱含著一種在認(rèn)識論上尚有分歧的假設(shè)，即物質(zhì)可以被分成最基本的單位。因此基本粒子的提法受到了許多哲學(xué)家的批評，但尋找基本粒子卻成了世界物理學(xué)家共同的目標(biāo)。物理學(xué)家認(rèn)為，在一定層次結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，尋找基本粒子仍然是有意義的工作。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子存在的跡象
參與歐洲核子研究中心大型正負(fù)電子對撞機(jī)(LEP)研究項目的科學(xué)家最近透露，他們在實驗中發(fā)現(xiàn)了一些表明希格斯玻色子存在的跡象。
據(jù)報道，參加該項目的日本東京大學(xué)副教授川本辰男以及美國普林斯頓大學(xué)的塔利等科學(xué)家，近日在不同場合分別宣布了上述消息。該成果如果得到進(jìn)一步實驗的證實，將是粒子物理 學(xué)領(lǐng)域的又一重大發(fā)現(xiàn)。
英國物理學(xué)家希格斯最早在30年前預(yù)言了希格斯玻色子的存在，但科學(xué)家至今沒找到它的蹤跡。希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。按理論假設(shè)， 其它粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的"海洋"中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。希格斯玻色子對完善粒子物理學(xué)理論有重要意義。經(jīng)過長時間的研究和探索，科學(xué)家們曾建 立起被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)理論。該標(biāo)準(zhǔn)模型以夸克、輕子作為基本粒子，以弱電統(tǒng) 一和量子色動力學(xué)理論為主要框架。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子幾乎都已被實驗所證實，希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被有人比喻為粒子物理學(xué)領(lǐng)域的"圣杯"。
但希格斯玻色子僅能以瞬間存在，因此起來難度極大。為"捕捉"該粒子，物理學(xué)家們通常 采取的辦法是讓高速運動的粒子相互撞擊，如果碰撞過程中產(chǎn)和足夠主的能量，這些能量就 有可能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，形成希格斯玻色子。由此形成的希格斯玻色子往往很快就衰變?yōu)槠渌?些粒子，衰變后的粒子有特定的組成，據(jù)此可間接證明希格斯玻色子的存在。
歐洲核子研究中心的科學(xué)家對利用大型正負(fù)電子對撞機(jī)進(jìn)行的4項實驗的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)了一些"非同尋常的解釋，也就是說，他們在實驗中獲得了希格斯玻色子。但他們也指出，目前的觀測結(jié)果尚不足以下最后的結(jié)論，仍需要進(jìn)一步的實驗數(shù)據(jù)才能確認(rèn)其可靠性。
夸克—膠子等離子體
現(xiàn)有宇宙理論認(rèn)為，宇宙形成于距今約120億至150億年前的一次“大爆炸”。宇宙“大爆炸”后的極短瞬間會形成超高能量密度，這使得一種稱為“夸克—膠子等離子體”的物質(zhì)能夠在約10微秒（1微秒為百萬分之一秒）的極短時間內(nèi)充斥宇宙，然后再凝聚結(jié)合形成原子核等物質(zhì)。但迄今科學(xué)家們還難以對這一理論假設(shè)進(jìn)行檢驗。
歐洲核子中心的最新研究成果使得科學(xué)家們能夠驗證“大爆炸”數(shù)微秒后的宇宙景象。這項重大突破不僅使物理學(xué)的研究疆域拓展至接近宇宙誕生初始，而且對考察宇宙的起源、物質(zhì)的本性以及對驗證現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型等都有重要意義。
近代物理學(xué)研究認(rèn)為，原子的構(gòu)造單元是質(zhì)子和中子等亞原子粒子，而亞原子粒子又由夸克等更微觀的基本粒子構(gòu)成?？淇碎g通過強(qiáng)力作用組合成質(zhì)子和中子，而這種強(qiáng)作用力主要通過另一種名為膠子的基本粒子來傳遞。
通常情況下，夸克由于受到強(qiáng)作用力而被子約束于原子核尺度內(nèi)，自身無法獨立存在。但現(xiàn)有一些理論假設(shè)認(rèn)為，足夠大的能量和溫度應(yīng)該能拆解質(zhì)子和中子，并使夸克和膠子重新結(jié)合形成所謂“夸克—膠子等離子體”?！翱淇恕z子等離子體”是與質(zhì)子和中子不同的另一種新型物質(zhì)形態(tài)。
為了拆除束縛夸克的強(qiáng)作用力，參加“重離子”計劃的科學(xué)家利用鉛離子互相撞擊產(chǎn)生的超高能量進(jìn)行實驗。
通過對多年實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，科學(xué)家最近終于發(fā)現(xiàn)，在鉛離子的碰撞中有新的物質(zhì)形態(tài)產(chǎn)生，其特征與理論預(yù)測的“夸克—膠子等離子體”的很多特征相符。
歐洲核子研究中心的公報指出，新成果證明了現(xiàn)有的一些對夸克間基本作用力的預(yù)測是正確的，同時也是在了解宇宙早期演化方面向前邁出的重要一步。新成果是國際物理學(xué)界通力合作的產(chǎn)物，包括中國在內(nèi)的20個國家的約500名科學(xué)家參與了“重離子”研究計劃。
美國費米國家實驗室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)
子中微子存在的直接證據(jù)
吳偉農(nóng)編譯
美國費米國家實驗室7月21日宣布，該實驗室中來自美國、日本、希臘和韓國的科學(xué)家經(jīng)過3 年的合作研究，首次發(fā)現(xiàn)了表明t子中微子存在的直接證據(jù)。至此。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中 的12種基本粒子已全部被直接探測到。
參加這一研究的美國加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)家菲利普·雅格爾說，發(fā)現(xiàn)t子中微子存在的直 接證據(jù)具有重要意義，它使得科學(xué)家對物質(zhì)基本粒子有了完整的認(rèn)識。
按照粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，物質(zhì)由12種基本粒子構(gòu)成，它們包括6種夸克和6種輕子。夸克包 括下、上、奇異、粲、底、頂6種，輕子則包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、t子和t子中微子。此前，科學(xué)家通過實驗陸續(xù)探測到了除 子中微子外的其他11種基本粒子 ，但卻一直沒有發(fā)現(xiàn)t子中微子存在的直接證據(jù)。
1978年，美國期坦福大學(xué)物理學(xué)家馬丁·佩爾從理論上證明了t子中微子的存在，但由于t子中微子不帶電，又幾乎不與周圍物質(zhì)相互作用，科學(xué)家很難直接探測到它。
1994年，雅格爾指導(dǎo)的一名學(xué)生——加利福尼亞大學(xué)研究生維多里奧·保羅內(nèi)和費米實驗室 的物理學(xué)家布雷南·倫德博格提出了“t子中微子直接觀測器”的構(gòu)想，這一想法得到費米 國家實驗室的支持。直接觀測器于1996年建造完成。從1997年開始、美、日、希、韓的54名 科學(xué)家用它探測t子中微子。
科學(xué)家的具體操作過程是，用粒子加速器制造一股可能含有t子中微子的中微子束，然后讓 中微子束穿過“t子中微子直接觀測器”內(nèi)一個約1米長的鐵板靶。這一鐵板靶被兩層感光 乳劑夾著，感光乳劑類似于膠卷，能夠“記錄”粒子與鐵原子核的相互作用。物理學(xué)家用3 年時間從靶上的600多萬個粒子軌跡中鑒定出了4個表明 輕子存在和衰變的痕跡，而t輕子 是表明t子中微子存在的關(guān)鍵線索。據(jù)科學(xué)家計算，幾十萬億個t子中微子中才能有1個與 靶中的鐵原子核相互作用并生成1個t輕子，因而此次鑒定出t輕子存在及衰變的痕跡就是 直接證明了t子中微子的存在。
因發(fā)現(xiàn)t輕了而獲1995年諾貝爾物理學(xué)獎的馬丁·佩爾說，證實t子中微子的存在具有里程 碑的意義。佩爾指出，費米實驗室的研究開辟了一個全新的世界，科學(xué)家將有機(jī)會獲得更多 關(guān)于其他粒子的認(rèn)識。
科學(xué)家同時表示，找到t子中微子存在的證據(jù)并不意味著中微子物理學(xué)篇章的完成。研究人員正在探索中微子是否有質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)就有可能影響粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，并使人們對宇宙演化、構(gòu)成等有更深的認(rèn)識。
中子與中子彈
達(dá)礫
1999年5月25日，以美國眾院政策委員會主席考克斯為首的調(diào)查委員會，無端指責(zé)中國竊取了美國尚未部署的中子彈。這完全是使用謊言加捏造編制出來的。
有的讀者看到這里也許會問：中子彈是一種什么武器？它與核武器有什么不同？
原子彈和氫彈，我們大家都很熟悉了，原子彈、氫彈、中子彈是核武器家族中的3個重要成員。為了了解中子彈，我們有必要了解一下什么叫“中子”。
中子是構(gòu)成物質(zhì)原子核的基本粒子之一，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同。中子不帶電，從原子核分裂出來的中子很容易進(jìn)入原子核，人們利用中子的這個特性，用它轟擊原子核來引出核子反應(yīng)。這就是中子彈。
中子彈在爆炸釋放大量的高能中子，是以高能中子輻射為主主要殺傷的小型氫彈。
我們知道，每一種武器都具有和輻射、沖擊波、光輻射等殺傷力，中子彈也有核武器的這些特性，但是中子彈的殺傷特性主要不是在這些方面，中子彈主要是靠中子的輻射起到殺傷作用，它可以在有效的范圍內(nèi)殺傷坦克裝甲車輛或建筑內(nèi)的人員。如果有一個100噸TNT（即黃色炸藥）當(dāng)量的中子彈，在距離爆炸中心800米的核輻射劑量，是同等當(dāng)量的裂變核武器的幾十倍，但是她爆炸時產(chǎn)生的沖擊波對建筑物的破壞半徑只有300米~400米。也就是說，如果有一枚千噸級當(dāng)量的中子彈在戰(zhàn)場上爆炸，那么800米范圍內(nèi)的人員會被殺傷，被殺傷的人員并不是馬上死去，而是慢慢地非常痛苦第死去，受傷者最長可以拖過7天的時間。在中子彈爆炸的300米范圍之外的建筑和設(shè)施，可以毫發(fā)不損，可是建筑物中的人員卻不能幸免于難。中子彈的這種特性，很適合在戰(zhàn)場上作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。
中子彈是什么時候誕生的呢？它誕生于50年代，是由美國加州大學(xué)的一個實驗室開發(fā)而成的。隨后，掌握了核武器的國家紛紛開始研制中子彈。1981年，卡特總統(tǒng)批準(zhǔn)了中子彈的生產(chǎn)計劃。里根總統(tǒng)上臺后，下令生產(chǎn)“長矛”導(dǎo)彈的中子彈頭和可以用榴彈炮發(fā)射的中子彈頭。美軍現(xiàn)在已經(jīng)有了203毫米榴彈炮的中子彈頭和155毫米中子彈的彈頭。這兩種用炮彈發(fā)射的中子彈是目前世界上當(dāng)量最小的中子彈。目前中子彈并沒有在戰(zhàn)場上投入使用。
中子彈可以用飛機(jī)、導(dǎo)彈、榴彈炮來發(fā)射。美、英、法、俄的許多戰(zhàn)斗機(jī)經(jīng)過改裝都可以發(fā)射帶有中子彈頭的對地導(dǎo)彈。
目前世界上有哪些國家具備了生產(chǎn)中子彈的能力呢？可以毫不夸張地說，凡是擁有氫彈的國家，都具備了生產(chǎn)中子彈的能力。
高能粒子和高能物理
毫無疑問，原子核中的一些更小的微粒，在一種巨大的力量的作用下，緊緊地抱成一團(tuán)，絕不可能將它們輕易分開，必須用威力強(qiáng)大的“炮彈”進(jìn)行轟擊。然而，到哪兒找這種“炮彈”呢？盧瑟福在天然放射性元素中找到了這種特殊的“炮彈”—α粒子，用它成功地轟破了氮核。
盧瑟福用α粒子轟破了氮核，但在用它轟別的核時就發(fā)現(xiàn)這顆“炮彈”威力不盡如人意。如果沒有威力更強(qiáng)大的“炮彈”，原子核內(nèi)的一些小微粒那會自動跑出來呢？在這個問題面前，原子物理學(xué)家改換了攻擊方向，他們箱，宇宙中的恒星發(fā)生核反應(yīng)時，一定從原子核里面跑出來了一些更小的微粒，通過對宇宙射線的研究，一定可以達(dá)到尋找“基本粒子”的目的。這個改變的確收到了成效，有人在宇宙射線中找到了新粒子。
但原子物理學(xué)無論如何也不會滿足靠天吃飯的狀況，他們最希望得到威力強(qiáng)大的人造“炮彈”，這里所說的“炮彈”，就是高能粒子，因為擁有巨大動能的粒子才可能鉆到原子中去，擊破原子中的堡壘—原子核。
要得到高能粒子，只有兩條可供考慮的途徑，一是祈求大自然的恩賜，在大自然中找到理想的例子。二是依賴智慧的力量，制造出能輸送強(qiáng)力炮彈的武器。事實上，第一條途徑只是理性分析中的一種設(shè)想，它沒有實用價值，即使上天能夠施舍一些符合試驗要求的高能粒子，它們也會自由來去，不服從人的指揮。人類的唯一選擇只有一條——艱苦奮斗，自力更生。沿著后一條思路，科學(xué)家們終于研制出了深入基本粒子世界的利器——高能粒子加速器，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一個亞原子的更加微觀微妙的小世界。
質(zhì)子-第一個被發(fā)現(xiàn)的粒子
在原子量是整數(shù)的元素中，第1號元素氫的原子量是1；第2號元素氦的原子量是4；第3號元素鋰的原子量是7；第6號元素碳的原子量是12；第7號元素氮的原子量是14；第8號元素氧的原子量是16。把同位素考慮在內(nèi)，這些原子量始終是氫原子量的整倍數(shù)。鑒于這一現(xiàn)象，和用α粒子轟擊輕的原子釋放氫核的事實以及其他種種原因，盧瑟福得出的結(jié)論是：每個原子核都由氫核構(gòu)成。于是，普羅特百年前認(rèn)為組成萬物的元素都是氫原子構(gòu)成的理論重新得到確認(rèn)。
于是，盧瑟福把分量最輕的氫原子的核看作所有原子的建筑石料棗看作一切材料中的基本材料。因為這些氫核很重要，所以用希臘文“Protos”（第一）一詞，命名其為“Protos”（質(zhì)子）。
發(fā)現(xiàn)了中子
自盧瑟福把原子描繪為一種微型太陽系以來，人們一直在試圖說明原子的構(gòu)造，但卻是枉費心機(jī)，原子核的謎越來越不可思議。直到1930年，德國科學(xué)家波特和貝克發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)是4的輕金屬鈹，在α粒子轟擊下發(fā)射出一種穿透力極強(qiáng)而且不受電場或磁場影響的射線。1932年，居里夫人的女兒伊蓮娜和她的丈夫弗里德里克·約里奧發(fā)現(xiàn)，這些奇妙的新射線，將運動速度極快的氫核，從煤油中釋放出來。這些射線不可能是電磁射線，所以它們肯定是由粒子組成的。然而，這些不受電場和磁場影響的是什么樣的粒子呢？科學(xué)再一次面對不解之謎……
盧瑟福的學(xué)生查德威克借助于云室，破譯了這個大謎團(tuán)。查德威克利用在云室拍下的照片，發(fā)現(xiàn)除了α粒子的各種軌跡以外，照片上還顯示出兩處極其吻合的東西。第一處碰撞的痕跡表明一個神秘的粒子被釋放了。而第二處看到的不知來頭的速度極快的氫核行跡，它只有在原子核同飛快的射彈發(fā)生碰撞時才會產(chǎn)生。查德威克認(rèn)為第一次碰撞釋放的、不明去向的粒子正是造成第二次碰撞的、不知來頭的射彈。但它是什么樣的粒子呢？
因為它在云室中沒形成痕跡，并且不受磁場或電場的影響，這表明它不帶電，是中性的，所以被稱為“中子”。查德威克能夠確定，中子的重量，或者說質(zhì)量，幾乎跟氫核的質(zhì)量一樣。就這樣，能夠擊破原子核的中子被發(fā)現(xiàn)了。
正電子的發(fā)現(xiàn)
193O年，美國物理學(xué)家安德森在他年僅25歲時已獲得哲學(xué)博十學(xué)位，但安德森選擇的主要研究工作是探索宇宙射線。無空的大氣層會吸收和削弱宇宙射線，為了從宇宙射線中找到新射線，安德森多次乘坐氣球升入高空，進(jìn)行觀測實驗。
安德森堅信從中可以找到新的粒于，在一次研究宇宙微粒的運動狀態(tài)時，安德森選用了威爾遜云室，并使云寶置入一個強(qiáng)磁場之中，通過公室，他拍了1000多張宇宙微粒運動的軌跡圖片，然后，他又一張一張地仔細(xì)分析，就像間諜專家分析情報一樣，唯恐漏掉一個細(xì)節(jié)。結(jié)果，他真的發(fā)現(xiàn)了宇宙透露的有價值的情報。他發(fā)現(xiàn)了一種與眾不同的照片，一個好像是電子的微粒被磁場引向左邊，但如果是電于的話，它應(yīng)該向右偏。
經(jīng)過反復(fù)研究，安德森發(fā)現(xiàn)這正是狄拉克四年前所預(yù)言的“正電于”。1932年，美國的一份科普雜志用一個很不顯眼的版面報道了安德森的發(fā)現(xiàn)。這篇具有劃時代意義的文章最初受到了委屈，但它并沒有被埋沒，它不僅證明了狄拉克的光輝預(yù)言，使一個精美的量于理論昂起頭來，而且打開了反物質(zhì)世界的大問。因此，他于1936年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
當(dāng)安德森赴斯德哥爾摩領(lǐng)獎時，接待員對他很不客氣地說：“先生，請回去告訴你的父親，得獎的人從來沒有打發(fā)兒子來代領(lǐng)獎金的，基金會寧愿由銀行匯給他本人，也不愿訃他的兒于經(jīng)手?！薄跋壬钦l告訴您說，得獎的是我父親而不是我呢，顯然，接待員不相信這樣年輕的人會獲得諾貝爾獎，當(dāng)時這位獲獎?wù)咧挥?1歲。
輕子
輕子都是弱相互作用的粒子，它們只參與弱相互而不參與強(qiáng)相互作用，它們都被認(rèn)為是類點的、無結(jié)構(gòu)的粒子。最為人怕熟悉的輕子就是電子，一個極輕的粒子(約是一個核子質(zhì)量的1/1800)，帶1個單位的電荷，電子還參與電磁相互作用。
輕子有3種，電子、μ子、τ子。與這3種輕子相伴的輕子稱為中微子，中微子不參與電磁的相互作用。
夸克
夸克是兼有強(qiáng)相互作用和弱相互作用的粒子。夸克首先是從理論上推導(dǎo)出來的，以后才陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。最后一個夸克--頂夸克于1995年初才被發(fā)現(xiàn)。
夸克有6種，劃分3對，分別是上夸克u和下夸克d，奇異(s)和粲夸克(c)，以及頂夸克(t)和底夸克(b)。
夸克之謎
——一場從中國走向世界的科學(xué)辯論
人們一般都認(rèn)為：物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，分子是由原子構(gòu)成的，原子是由電子、質(zhì)子、中子等基本粒子組成的，而基本粒子則是由比基本粒子更基本的亞粒子組成的。亞粒子也就是人們常說的“夸克”或 “層子”。
分子、原子和基本粒子，人們不僅通過實驗找到了，而且巳經(jīng)在實際應(yīng)用。而夸克（或?qū)幼樱┳詮?60年代科學(xué)家們提出這一設(shè)想后，全世界的物理學(xué)家花費了巨大的財力、物力和人力，設(shè)計出了多種夸克模型，建造高能電子對撞機(jī)。雖然一些實驗現(xiàn)象“證實”夸克（或?qū)幼樱┑拇嬖冢欢鴨蝹€的夸克（或?qū)幼樱┲两裎?找到，人們始終不識廬山真面目。對此，粒子學(xué)家們的解釋是：因為夸克（層子）是極不穩(wěn)定的、”壽命極短的粒子，它只能在束縛態(tài)內(nèi)穩(wěn)定存在，而不能單個存在。
1996年2月26日，《光明日報》發(fā)表了天津大學(xué)崔君達(dá)教授的文章《夸克存在嗎》，向“夸克說”提出了質(zhì)疑。崔說，早在1979年3月，他在全國第一次數(shù)學(xué)物理討論會上，對SU3（夸克模型）中的“3”，提出了一個全新的理論，即復(fù)合時舊論。按照這個理論，夸克模型中的夸克，層子模型中的層子，以及Higgs粒子都是不存在的！“人們不論上天入地去尋找，夸克總是杳無蹤影”。
1993年10月美國國會在經(jīng)過了長期聽證之后通過了一個決議：停止給已執(zhí)行了4年的SSC（超高能超導(dǎo)對撞機(jī)）工程計劃撥款。
崔教授的文章實際上是關(guān)于“夸克是否存在”的爭鳴的開始。其后，《人民日報》、《光明日報》、《中國科學(xué)報》、《科協(xié)報》等7家中央報紙的8位資深記者致書中央領(lǐng)導(dǎo)，建議中央慎重考慮是否實行基礎(chǔ)科學(xué)理論的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，暫緩或減少對“層子說”研究的撥款。
中央領(lǐng)導(dǎo)指示國家自然科學(xué)基金會于1996年8月6日召開有關(guān)科學(xué)家的會議，研討崔君達(dá)教授的文章和8位記者的信件。應(yīng)邀參加會議的絕大部分是贊成“層子說”的粒子學(xué)家，崔本人和8位記者均未被邀請。會議由著名物理學(xué)家、北京大學(xué)校長陳佳洱主持，何祚麻院士做了典型發(fā)言，何院士稱：“全世界有那么多物理學(xué)家做了那么多的實驗，都充分證實了夸克或?qū)幼拥拇嬖凇？淇说拇嬖谑侨澜缥锢韺W(xué)家公認(rèn)的，是不容置疑的?！焙卧菏空f崔教授的“復(fù)合時空論”是“病態(tài)科學(xué)”，崔教授是“病態(tài)科學(xué)家”。并于1996年9月2日將此發(fā)言稿發(fā)表于《科技日報》上。
1996年12月2日，《科技日報》又發(fā)表了崔君達(dá)教授反駁何祚麻院士的文章《復(fù)合時空論并非病態(tài)科學(xué)》。崔在文中進(jìn)一步指出：物理學(xué)界并非全都公認(rèn)夸克的存在。不同意見早在70年代就有了。我國物理學(xué)家朱洪元，諾貝爾獎得主、量子力學(xué)奠基人海德堡都認(rèn)為：全世界許許多多物理學(xué)家花了那么大的力量尋找夸克，如果夸克真的存在，早就應(yīng)該找到了。
崔在文中還特別提到：1994年，首先提出夸克模型之一的M·蓋爾曼寫了一本《夸克與美洲豹》的書。他在書中說，他提出的SU3中的U3實際上是一個數(shù)學(xué)符號，并不代表“實在的”夸克這東西，物理學(xué)家們把它誤解了。他最后宣稱：“我不相信夸克是有的。”
在《科技日報》發(fā)表崔君達(dá)文章的同一天，《中國科學(xué)報》也發(fā)表了諾貝爾獎得主李政道教授于1996年10月3日的一個講演。李在講演中指出：“……另一個謎是，所有強(qiáng)作用的粒子都是由夸克組成的，但是我們卻不能把單個的夸克分離出來?！逼鋵崳缭?993年李政道在清華大學(xué)講演時就提出這一問題了。
李政道把夸克（或?qū)幼樱┦欠翊嬖诜Q做一個至今未解開的謎。
這場公開的爭論在中國歷時兩年多、在中國展開的這場爭論，已引起了國際科學(xué)界的注意。美國物理學(xué)界向崔君達(dá)約稿，崔君達(dá)的《SU3理論中夸克假設(shè)是不需要的》一文，發(fā)表在1999年第4期的美國《強(qiáng)子》雜志上，并被收人《本千年中懸而未決的科學(xué)基礎(chǔ)問題》文集，被美國國會圖書館收藏。美國基礎(chǔ)科學(xué)研究所所長R·M·Santilli專門為崔的文章寫了一篇很長的評論。他在評論中說：“……夸克是物理實在的粒子的信條是一個真正的科學(xué)欺騙，特別是由所謂‘專家’說出來的時候。實際上夸克只能在SU（3）對稱的純數(shù)學(xué)的U空間中定義，而不能在實在的時空中定義。”看來，在世界范圍內(nèi)一場關(guān)于夸克和層子是否存在的論戰(zhàn)已不可避免。這一場大論戰(zhàn)是從我們中國科學(xué)家之間開始的。這一事實說明：我們中國現(xiàn)代物理學(xué)已有很深厚的根基。
怎樣感知粒子的存在
感知粒子的存在，靠的是粒子與物質(zhì)的作用。例如，帶電粒子，在物質(zhì)中會引起電離，就是把原子中的電子打出一些。因為原子核帶的正電，與核外電子的負(fù)電一樣多，這樣，原子核和剩下那部分電子整體對外顯正電，稱為正離子。如氬原子，核中有18個質(zhì)子，核外有18個電子，正好是電中性的。一個a粒子，把它的電子打出一個，這時氬原子就帶一個正電荷，形成氬+（氬離子或帶正電荷的氬粒子，以后如不特別指出，我們將不區(qū)分“離子”和“粒子”）。如果a粒子很多，那么氬+與電子就很多，叫形成了氬+與電子的等離子體，意思是氬+與電子的數(shù)目一樣多。把這個等離子體放在電場中后，因同性相斥、異性相吸的道理，電子就跑向正極，氬+移向負(fù)極。結(jié)果，可在外電路里輸出電流。這就不但測出了帶電粒子（這時是入射的a粒子）的存在，而且可測出其強(qiáng)度。用這種方法，可以做成電離室和計數(shù)管（室內(nèi)、管內(nèi)充氬氣）。前者一般只測量粒子引起的平均電流，后者能測出粒子的個數(shù)。而且改變計數(shù)管外加電壓的大小，從輸出電壓的不同幅度，還可判定入射粒子的類型和能量。
以上的講述，只是判定了粒子的類型、強(qiáng)度和能量，并未看到粒子。但是，人們也發(fā)明了能夠“看到”粒子行蹤的儀器，云室即其一種。眾所周知，水蒸氣過飽和后，就會結(jié)成水珠。云室就是裝有飽和水蒸氣或酒精汽的容器。當(dāng)粒子穿過時，讓其溫度突然降低，這時水汽即刻達(dá)到過飽和，在粒子的行蹤上，因電離形成了凝結(jié)中心，首先結(jié)為水珠鏈，這就而出了粒子的徑跡。
類似的道理，人們又發(fā)明了泡室。它是個密封容器，內(nèi)中裝滿某種液體，其溫度達(dá)液體的沸點以上，但因壓力大，液體并不冒泡和沸騰。當(dāng)粒子經(jīng)過時，突然減壓，粒子路徑上產(chǎn)生電離離子的中心上，首先形成汽泡，從而顯出粒子的徑跡。
另一類粒子徑跡探測器，是原子核乳膠。它實質(zhì)上是感光后較厚的照相底片，只不過其配方對粒子更靈敏罷了。它是同體中顯現(xiàn)粒子徑跡的設(shè)備之一，在粒子物理中，立下過汗馬功勞。
所有觀測粒子徑跡的儀器，都可以放在磁場中，來觀測徑跡的彎曲度。因粒子的質(zhì)量、能量不同，彎曲度也不同。這樣，就使不同類型、不同能量的粒子，得以辨認(rèn)。
Y射線的電離較弱，用上述力法不易觀察，但當(dāng)它射入熒光體（如碘化鈉晶體、塑料閃爍體等）時，會發(fā)出熒光，用光電放大器（通常叫光電倍增管）放大后，會輸出電脈沖，從而可查知y射線的存在。
粒子探測器的類型還有很多。但大都離不開電離和發(fā)光。把它們組合起來，可以完成對各種粒子特性的測量。它們是粒子應(yīng)用中的尺子、天秤和眼睛。
把粒子釋放出來
用鋼筋、水泥、磚塊和木料，可以建起摩天大樓，但是，大樓一旦建成，這些建筑材料，就無法移作他用了。
構(gòu)成物質(zhì)的粒子，情況也類似，平時處于物質(zhì)之中，永久執(zhí)行著天然賦予的使命，人類無法充分利用其其他功能。只有把粒子分離出來后，才能調(diào)動它們，控制它們，使它們干各種各樣的事情。
把粒子從物質(zhì)中分離出來的方法有兩種，一為集合天然粒子（提純天然放射性同位素），一為人工制造粒子，它包括制造人工同位素和用原子擊碎（或稱粒子加速器）制造新粒子。此外，還需要建立感知粒子存在的裝置，因為粒子都是肉眼凡胎的人，看不見摸不著的。
工制造粒子
古代人，曾希望能點石成金。這個愿望，現(xiàn)代人算是徹底實現(xiàn)了，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)達(dá)的程度，幾乎能夠說，人類可以隨心所欲地改變物質(zhì)的種類，這從人造粒子的技術(shù)中，就可以一目了然。
人工制造粒子，包括制造放射性同位素和直接制造粒子兩方面。后者在下面再作介紹，這里先講講人工放射性同位素。目前通用的方法有兩種：使用加速器或反應(yīng)堆。
用加速器（能夠使粒子獲得很高能量的裝置）發(fā)出的高速質(zhì)子、氘核和a粒子等作“炮彈”，轟擊各種原子核，可以制出多種放射性同位素。如醫(yī)學(xué)上常用的57/27鈷，就是用氘核作“炮彈”，轟擊56/26鐵而得到的。其反應(yīng)式為：56/26鐵十2/1氘一57/27鈷十n
常簡寫為56鐵（d，n）57鈷。因鐵和鈷在元素周期表中的位置，正好是26和27，下標(biāo)可以省去。加速器運轉(zhuǎn)費用昂貴，生產(chǎn)效率又不如反應(yīng)堆高，所以，它一般只生產(chǎn)那種反應(yīng)堆生產(chǎn)不出的多質(zhì)子同位素。
反應(yīng)堆，是可以產(chǎn)生很強(qiáng)中子流的原子鍋爐。它既然可以大量產(chǎn)生中子，其本身就是一種釋放中子的裝置。中子的很多應(yīng)用，可以直接在反應(yīng)堆上進(jìn)行。中子不帶電，易被原子核“俘獲”。反應(yīng)堆中子流很強(qiáng)，所以生產(chǎn)效率高而成本低。目前大多數(shù)放射性同位素，都是反應(yīng)堆生產(chǎn)的。常用的60鈷源，即其一例，反應(yīng)式為： 59鈷十 n－－60鈷十 y簡寫為59鈷（n，Y）60鈷。60鈷是目前最強(qiáng)的人工Y射線源之一。
目前已知的α、β、y、X放射性同位素有上千種，我們選幾個常用的寫在下表中。表1.3-1常用放射性同位素舉例說明：①半衰期：表示放射性強(qiáng)度，衰減到原來強(qiáng)度一半所用的時間。 ②55鐵的 X射線能量單位為 KeV，其中 K＝ 103； KeV叫千電子伏。③制法中，反應(yīng)式的產(chǎn)物略寫，因為它與同位素名稱相同，也可由入射、出射粒子及被照射核的關(guān)系推出。所以，一般可以不標(biāo)出。
直線加速器的原理
加速器是由三根用絕緣材料制成的高柱和在它們中間的加速器管組成。加速器靠真空泵保持真空。外表流線型，不僅僅是為了美觀，而且是為了防止從任何棱角或突出部分形成意外的放電。
在加速器管中有金屬圈，它們同高壓發(fā)生器相連的方式能使一系列金屬圈的負(fù)壓由底部向頂端逐漸升高。生產(chǎn)質(zhì)子的離子源安裝在加速器管的上端。帶正電的質(zhì)子由于受到帶負(fù)電的金屬圈的吸引而順管射下——由于下面的金屬圈的負(fù)電壓不斷增大，質(zhì)子的速度也不斷增大。在加速器管的地端的地板下面，有一間裝有接收器的小室，質(zhì)子能夠在這里同物質(zhì)碰撞，在此過程中，轟擊能夠引起原子核的蛻變。
醫(yī)用電子直線加速器
回旋加速器的內(nèi)部構(gòu)造
回旋加速器現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為現(xiàn)代的同步加速器了。2O世紀(jì)歐洲原子能研究組織在日內(nèi)瓦附近使用的加速器，就是這類機(jī)器中最大的一座，包括一條長逾8.5千米的粒子軌道。粒子在一條10余厘米直徑管子里前進(jìn)，管于則藏在地下隧道內(nèi)。粒子在這軌道中循環(huán)運行，每三秒鐘約環(huán)繞1十萬次之多，由數(shù)以百計的電磁鐵導(dǎo)引，每統(tǒng)一周，加速粒子的電壓便增加數(shù)百萬伏特，最后放出的粒子能量相當(dāng)于從.5000億伏特直線加速器所得到的能量。
考克羅夫特和瓦爾頓建成 第一座發(fā)生器前，物理學(xué)家認(rèn)為原于只是山電于和質(zhì)子構(gòu)成。加速器制成后，便把這種想法完全打破，因為數(shù)以百計的新粒于在高能碰撞中陸續(xù)出現(xiàn)了。
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英國物理學(xué)家盧瑟福 |
1919年英國科學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量為幾個MeV、速度為2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的“靶”，實現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分布，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結(jié)構(gòu)，從而激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的愿望。
靜電加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍壓加速器（1932年）等不同設(shè)想幾乎在同一時期提了出來，并先后建成了一批加速裝置。 |
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美國科學(xué)家柯克羅夫特 |
1932年美國科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton)建造成世界上第一臺直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應(yīng)實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現(xiàn)的核反應(yīng)，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。 |
愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓 |
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美國科學(xué)家凡德格拉夫 |
1933年美國科學(xué)家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器。
以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。 |
凡德格拉夫的實驗裝置 |
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勞倫斯與回旋加速器 |
奈辛(G.Ising)于1924年，維德羅(E.Wideroe)于1928年分別發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由于受當(dāng)時高頻技術(shù)的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國實驗物理學(xué)家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。
由于被加速粒子質(zhì)量、能量之間的制約，回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到25MeV左右，如將加速器磁場的強(qiáng)度設(shè)計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長，則能將質(zhì)子加速到上百MeV，稱為等時性回旋加速器。 |
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前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾 |
為了對原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾(V.I.Veksler)和美國科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)各自獨立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理，英國科學(xué)家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建議建造基于此原理的加速器——穩(wěn)相加速器。 |
美國科學(xué)家麥克米倫 |
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自動穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它導(dǎo)致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生：同步回旋加速器（高頻加速電場的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋頻率與加速電場同步）、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器（使用磁場強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來維持粒子運動的環(huán)形軌跡，但維持加速場的高頻頻率不變）等。
自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制。隨著能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質(zhì)子加速到10GeV以上仍是不現(xiàn)實的。 |
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1952年美國科學(xué)家柯隆(E.D.Courant)、李溫斯頓(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)發(fā)表了強(qiáng)聚焦原理的論文，根據(jù)這個原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低，使加速器有了向更高能量發(fā)展的可能。這是加速器發(fā)展史上的又一次革命，影響巨大。此后，在環(huán)形或直線加速器中，普遍采用了強(qiáng)聚焦原理。
美國勞倫斯國家實驗室1954年建成的一臺6.2GeV能量的弱聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵的總重量為1萬噸。而布魯克海文國家實驗室33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說明了強(qiáng)聚焦原理的重大實際意義。 |
美國科學(xué)家李溫斯頓 |
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美國科學(xué)家科斯特 |
以上主要介紹的是質(zhì)子環(huán)形加速器，對電子加速器來說情況有所不同。1940年美國科學(xué)家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一個電子感應(yīng)加速器。但由于電子沿曲線運動時其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應(yīng)加速器的能量提高受到了限制，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為10GeV。電子只有作直線運動時沒有輻射損失，使用電磁場加速的電子直線加速器可將電子加速到50GeV，這不是理論的限度，而是造價過高的限制。 |
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加速器的能量發(fā)展到如此水平，從實驗的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實驗，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子，然后研究所產(chǎn)生的次級粒子的動量、方向、電荷、數(shù)量等，加速粒子能參加高能反應(yīng)的實際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生。 |
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意大利科學(xué)家陶歇克 |
1960年意大利科學(xué)家陶歇克(B.Touschek)首次提出了這項原理，并在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機(jī)，驗證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元。
現(xiàn)代高能加速器基本都以對撞機(jī)的形式出現(xiàn)，對撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍。 |
Frascati的AdA對撞機(jī) |
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自世界上建造第一臺加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個數(shù)量級（參見左圖），同時每單位能量的造價降低了約4個數(shù)量級，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見的。
隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。 |
