△方兴未艾——基本粒子物理学的进程 

基本粒子通常指比原子核更小的物质单元,如电子、中微子、介子等等,都是基本粒子。基本粒子物理学进入了比原子更深一层次的物质基本粒子研究。目前已发现了400多种基本粒子。基本粒子物理学是本世纪科学的一个前沿和生长点,它通过几次革命性变革向纵深发展,又同其它科学领域相融汇贯通。在基本粒子物理学领域,正在酝酿着新的突破。在这个过程中,科学认识经历了一个由少到多,由浅入深的过程。

1)中微子的发现。

早在1914年查德威克就发现β射线谱与α射线谱不同,β线谱是连续分布的,α射线谱是分散的。那么,β衰变如何能满足能量守恒定律呢?

为了解释这个问题,1934年,费米建立第一个定量的中微子理论,圆满地解释了中子β衰变的困难。费米中微子理论是在与原子发光理论的类比中产生的。鲍利和费米的理论显然能解释β衰变,但因中微子不带电又无静止质量,探测中微子是一件极其困难的事,物理学界接受这种理论很勉强。但随着新的实验事实不断出现,使多数人相信了这个理论,而且进一步了解到质子也可以转变为中子而放出一个正电子和一个中微子。

2)人工放射性元素。

1934年1月,约里奥·居里夫妇公布了用α粒子轰击铝、镁、硼等轻元素产生人工放射性元素的实验结果。这一重大发现,表明放射性元素可从人工产生。这个科学大事件,激起了科学家们研究人工放射性元素的高潮,形成了群英并出、成果空前的核物理园地。费米先设想,如果改用中子作炮弹,也许不仅能使稳定的轻元素变成放射性元素,而且有可能使稳定的重元素变成放射性元素。费米实验中,意义最大的是用中子轰击铀的实验。1934年他第一次用中子轰击铀,果然中子被吸收,放出β射线,于是得到了第93号超铀元素的消息传开了,引起科学界的极大关注。但费米用中子轰击铀的所得物到底是什么?这个问题还有待进一步的理论分析。

3)重核裂变实验

1938年,约里奥·居里夫妇也在进行过类似费米实验的工作,他们用以往的核反应知识推断说:“元素受到中子的轰击后,生成原子序数增加1的新元素。”这年,伊伦娜·居里在中子轰击铀的产物中发现一种新的放射性元素,其化学性质和铀相同,这在当时认为十分异常。伊伦娜撰文发表了这一新的实验成果。

哈恩和物理化学家斯特拉斯曼在德国进行类似的实验研究。斯特拉曼读了伊伦娜的那篇论文,立即意识到这个实验揭示了核反应的一大秘密,连忙跑去对哈恩说:“你一定要读这篇报导!”哈恩在做自己的研究,不愿阅读,不当一回事。于是,斯特拉斯曼向哈恩介绍了伊伦娜文章的精华。这消息如同惊雷,哈恩把正在抽着的雪茄烟丢在办公桌上,立即同斯特拉斯曼一起跑到实验室,一连几个星期,两人反复进行中子轰击铀核的实验。起初认为生成物是镭,后来经过精确分析,认定生成物不是和铀靠近的重元素,而是和铀相隔很远的中等质量元素钡。这是他们和当时的科学界万万想不到的。论文发表之前,哈恩先把实验结果和疑难问题都告诉了在斯德哥尔摩的好朋友梅特纳,梅特纳深知哈恩工作的严肃性,他根据哈恩,斯特拉斯曼实验作出了科学判断,又用数学方法进行分析,他分析了反应前后的物质的原子量,发现核反应中出现质量亏损。1939年2月,梅特纳和弗瑞士一起在美国《自然》杂志发表论文,正确解释了哈恩—斯特拉斯曼实验。至此,重核裂变和开发原子能的物理基础正式奠定。