简说粒子物理

第1章 宇宙中心之旅 对粒子、物质和整个宇宙的概述。 布鲁克海文国家实验室首次观察到Ω粒子的照片 1.1 物质 古希腊人认为任何东西都是由一些基本元素构成的。这个想法基本上是正确的，但细节是错误的。他们的“土、气、火和水”是由我们今天所知道的化学元素构成的。纯水由两种元素组成：氢和氧。空气主要由氮和氧以及少量的碳和氩组成。地壳包含了90种自然存在的元素中的大部分，主要是氧、硅和铁，还有碳、磷和许多你可能从未听说过的元素，如钌、钬和铑。 元素的丰度差异很大。大致说来，你首先想到的是*常见的，而你从未听说过的那些都是*稀有的。因此，氧是*为常见的元素：你每呼吸一次，就会吸入一亿亿亿个氧原子。地球上另外的50亿人以及无数的动物也是如此，还有更多的氧原子在做其他的事情。当你呼吸的时候，这些原子被释放、被捕获，与碳形成二氧化碳分子，它成为树木和植物的养料。这个数量是非常巨大的，因此每个人都知道氧和碳。这与砹或钫形成鲜明对比。即使你曾经听说过它们，你也不太可能接触到它们，因为据估计，在地壳中砹的含量不到10z（10z=28.35g）；至于钫，甚至有人声称，在任何时候，你的周围环境里*多有20个钫原子。 原子是一种元素中*小的部分，它可以存在并仍然被认为是该元素。几乎所有的这些元素，比如你呼吸的氧气和你皮肤里的碳，都是在大约50亿年前的恒星中产生的，那时地球正要形成，氢和氦甚至更古老，大多数氢是在宇宙大爆炸后不久产生的，后来为恒星提供了燃料，而其他元素则在恒星内部产生。 再想想我们呼吸的氧气和在你肺里的一亿亿亿个氧原子，这让我们对于一个原子有多小有了一些粗略的概念。另一种方法是，看一看这句话末尾的圆点a，它的墨水中含有大约1000亿个碳原子，要用肉眼看到其中的一个，你需要把圆点的直径放大到100m宽。 100年前，原子被认为是一种无法穿透的微小物体，或许就像迷你版的台球。今天我们知道每个原子都有丰富的迷宫般的内部结构，在它的中心是一个致密的核，除了极小的部分之外，它占有几乎全部的原子质量，并且带有正电荷。在原子的外部区域有被称为电子的一些微小且很轻的粒子。电子带有负电荷，正是正负电荷的相互吸引，才使这些带负电荷的电子绕着中心的带正电荷的原子核旋转。 再看一看那个圆点。前面我说过，要用肉眼看到一个原子，就需要把圆点的直径放大到100m，虽然这已经很巨大了，但仍然是可以想象的。但是为了看到原子核，你需要把这个圆点的直径放大到10000km，这差不多是地球的南极到北极的距离。 在中心的紧凑的原子核和远处旋转的电子之间，原子的绝大部分空间都是空的。这是许多书所持有的观点，就构成原子的粒子而言，这确实是对的，但这只是故事的一半。这个空间充满了电和磁的力场，它们是如此强大，以致如果你试图进入原子，它们会在瞬间阻止你，即使原子内部被认为是“空的”。正是这些力使物质变得坚固。当你读这本书时，由于这些力，你被悬浮在椅子表面原子的上方一个原子的高度。 尽管这些电力和磁力都很强大，但与在原子核内起作用的更强大的力相比，它们是微不足道的。破坏这些强大的力的影响，你就能释放出核能；中断这些电力和磁力，你就能对周围环境的化学和生命中的生物化学造成更多的影响。这些日常熟悉的效应是由原子外层的远离原子核的电子造成的。相邻的原子中的这些电子可以交换位置，从而帮助把原子连接在一起，形成一个分子。正是这些电子的游荡导致了化学、生物学和生命的产生。本书不是关于这些主题的，它们涉及许多原子的集体行为。相比之下，我们想深入原子，了解那里的一切。 1.2 原子的内部 电子似乎是真正的基本粒子，如果它有自己的任何内部结构，那么我们还没有发现它。然而，原子中心的核是由更基本的粒子组成的：质子和中子。 质子带正电荷，提供了原子核的总正电荷。原子核里的质子越多，它的电荷越大，反过来，更多的电子可以像卫星一样围绕着它，使得原子处于正负电荷平衡的状态，因而原子的整体保持电中性。因此，虽然强烈的电力在构成我们身体的原子内部深处起作用，但我们却感觉不到它们，我们自己本身也不带电。*简单的元素氢的原子由一个质子和一个电子组成。原子核中质子数的多少是一种元素与另一种元素的区别之所在。碳原子的原子核由6个质子组成，铁由26个质子组成，而铀由92个质子组成。 异种电荷相吸，同种电荷相斥。因此，在这种电力作用下相互排斥的质子能够在原子核的限制范围内保持在一起，这真是一个奇迹。原因是，当两个质子接触时，它们会因为所谓的强相互作用力而紧紧地抓住对方，这种吸引力比电斥力强大得多，所以我们的原子核不会自发爆炸。然而，你不能在近距离内放太多的质子，否则*终的电斥力就太大了。这就是为什么会有天然存在的*重的元素铀，每个原子核中有92个质子。如果把比它们还要多的质子聚集在一起，原子核就无法保持稳定状态。像钚这样排在铀之后的元素，都是高放射性元素，其不稳定性是众所周知的。 除了氢之外的所有元素的原子核都含有质子和中子。中子实际上是质子的一个电中性形式。它与质子具有相同的大小，质量与质子相差大约千分之一。中子与质子以相同强度的力相互抓聚在一起。不像质子，由于没有电荷，中子感觉不到电的干扰。因此，中子的存在增加了原子核的质量，也增加了整体的强吸引力，从而有助于原子核的稳定。 当中子处于紧密的集群中时，比如，当它们成为铁原子核的一部分时，它们可能会保持不变，存在数十亿年。然而，当远离这样的紧密的团簇时，孤零零的中子是不稳定的。有一种所谓弱力的微弱力量在起作用，它的影响之一，就是湮灭中子，把它变成质子。这种情况甚至会发生在原子核中有太多的中子与质子挤在一起时。在这里，这种转换的效果是把一种元素的原子核变成另一种元素的原子核。元素的这种嬗变是放射性和核能的根源。 把一个中子或质子放大1000倍，你就会发现它们也有丰富的