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相互作用粗纤维测定仪互相联系起来
作者: 发布于:2011-5-6 15:40:42 点击量:

带电,质子和电子有放出和吸收光子的能力,它们 通过电磁.   当时实验上还显示不出它们的体积大小,看不到它们有内部结构,可以认 为是 “点”粒子.“点”粒子是指这个粒子在空间上没有占据可以察觉到的有 限体积,没有可以观察到的内部结构,粒子 的整体行为.当时,人们认为这些粒子是物质结构的最小的单元,把它们统称 为基本粒子.   20世纪初,物理学家已清楚地认识了的物质的基本相互作用有两种:引 力相互作用和电磁相互作用.从静止状态下的相互作用来考察,它们之间既有 共同点又有不同点: §6.   1 狄拉克的理论和正电子的发现  粗纤维测定仪9 99   1.它们都是与距离平方成反比的长程力,如果从相互作用的势能来看, 它们的势能都是与距离的一次方成反比: VG(r)=-Gm1m2, VEM(r)= q1q2. r4πεr 0   2.引力相互作用总是相互吸引,正比于两个相互作用物体质量的乘积, 引力势能公式中有个负号保证质量为正的物体之间的引力势能总是负的,体现 物体之间的引力相互作用总是相互吸引的.   3.电磁相互作用正比于两个相互作用物体所带电荷的乘积,电磁势能公 式前面没有负号.电磁相互作用正比于两个相互作用物体所带电荷的乘积自动 保证了体现 “同性相斥、异性相吸”.   质子和电子之间既有电磁相互作用,又有引力相互作用.静止的质子和电 子之间的引力相互作用势为 VG(r)=-Gmprme. 这里是引力常量,其值为 -113-1-2 G=(6.673±0.010)×10mkgs=(6.707±0.010)×10-39..c(GeV/c2)-2. 静止的质子和电子之间的电磁引力相互作用势为 2 eα..c VEM(r)=- 4πεr=- r. 0 α是精细结构常数,其值为 2 e1α= 4πε0..c= (

137.0359 99976±0.00000050) . 质子和电子之间的引力相互作用比电磁相互作用要弱得多,两种相互作用势的 比值为 R= VG(r) = Gmpme4πε0= Gmpme 2 VEM(r)eα..c 40 =4.40668×10(-) 由此可见,和电磁相互作用相比,它们之间的引力相互作用完全可以忽略.   20世纪20年代,英国天文学家和理论物理学家爱丁顿(ArthurStanleyEddington) 曾认为宇宙中的基本粒子只有质子、电子、光子三种,而宇宙就是由 79 总数约10个质子和电子构成,是一个有限、无边的正在膨胀的宇宙.   从这种理论出发,也就提出了一系列需要研究解答的基本问题:为什么电 荷有最小单位?为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为1/ 137.036?为什么正电荷的最小单位— ———质子比负电荷的最小单位—— ——电子质 1  0第六章 粒子世界  0 量重1836.15倍?为什么宏观上正负电是对称的,但正负电荷的最小单元质 子和电子又非常不对称? 狄拉克的理论和正电子的发现   物理学实验和理论的发展很快地打破了这个格局,陆续发现了几个新的基 本粒子,展示了粒子世界的丰富多彩的新局面.   1928年,英国物理学家狄拉克提出了一个电子运动的相对论性量子力学 方程,即狄拉克方程.利用这个方程研究氢原子能级分布时,考虑有自旋角动 量的电子作高速运动时的相对论性效应,给出了氢原子能级的精细结构,与实 验符合得很好. 24 E=mc21-α-αn- 3+., n=n′+|k|=1,2,. 24 2n2n|k|4

从这个方程可以自动导出电子的自旋量子数应为1/2,还可以自动导出电子自 旋磁矩与自旋角动量之旋磁比的朗德g因子为轨道角动量旋磁比的朗德g因子 的2倍,即g=2,gL=1.电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出 S 来的,并没有理论的来源和解释.狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性 质,是理论上的重大进展.利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性 质,这些结果都与实验符合得很好.   这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性 量子力学方程.既然实验已经充分验证了狄拉克方程的正确,自然期望利用狄 拉克方程能够预言新的物理现象.按照狄拉克方程给出的结果,电子除了有能 量取正值的状态外,还有能量取负值的状态,并且所有正能状态和负能状态的 分布对能量为零的点是完全对称的.自由电子的能量为 222 E=±cmc+p. 式中m是电子的静止质量,p是电子的动量.p= 0给出正能的最低值和负能的最高值.这两个能 2 级之间的能量差为2mc.   自由电子最低的正能态是一个静止电子的状 2 态,其能量值是一个电子的静止能量mc,其它 的正能态的能量比一个电子的静止能量要高,并 且可以连续地增加到正无穷.与此同时,自由电 子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的 2 负值-mc,其它的负能态的能量比这个能量还要 低,动量越大,能量越低,并且可以连续地降低 到负无穷,如图6-1所示.图6-1 电子能级的分布 §6. 0 1 

狄拉克的理论和正电子的发现 1 1   这个结果表明:如果有一个电子处于某个正能状态,则任意小的外来扰动 2 都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出至少2mc的能量.同时由于负能 状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱,这个释放能量的跃迁过程可以一直持 续不断地继续下去,这样任何一个电子都可以不断地释放能量,成为永动机, 这显然是完全不合理的.   针对这个矛盾,1930年,狄拉克提出一个理论,被称为空穴理论.   这个理论认为由于电子是费米子,满足泡利不相容原理,每一个状态最多 只能容纳一个电子.由于电子有自旋,每一个确定能量的运动状态有两个.物 理上的真空状态实际上是所有的负能态都已经填满了电子,同时正能态中没有 电子的状态.因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子 的能量状态,也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量,也就是说不能输 出任何信号,这正是真空所具有的物理性质.   图6-2是空穴理论的示意图.左边的图就是真空的示意图.真空并不是 真正的 “空”,不是真正的一无所有.真空中充



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