帶電,質子和電子有放出和吸收光子的能力,它們 通過電磁. 當時實驗上還顯示不出它們的體積大小,看不到它們有內部結構,可以認 為是 “點”粒子.“點”粒子是指這個粒子在空間上沒有占據(jù)可以察覺到的有 限體積,沒有可以觀察到的內部結構,粒子 的整體行為.當時,人們認為這些粒子是物質結構的最小的單元,把它們統(tǒng)稱 為基本粒子. 。玻笆兰o初,物理學家已清楚地認識了的物質的基本相互作用有兩種:引 力相互作用和電磁相互作用.從靜止狀態(tài)下的相互作用來考察,它們之間既有 共同點又有不同點: §6. 1 狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn) 粗纖維測定儀9 99 。保鼈兌际桥c距離平方成反比的長程力,如果從相互作用的勢能來看, 它們的勢能都是與距離的一次方成反比: VG(r)=-Gm1m2,。郑牛停ǎ颍 q1q2. r4πεr 0 。玻ο嗷プ饔每偸窍嗷ノ扔趦蓚相互作用物體質量的乘積, 引力勢能公式中有個負號保證質量為正的物體之間的引力勢能總是負的,體現(xiàn) 物體之間的引力相互作用總是相互吸引的. 3.電磁相互作用正比于兩個相互作用物體所帶電荷的乘積,電磁勢能公 式前面沒有負號.電磁相互作用正比于兩個相互作用物體所帶電荷的乘積自動 保證了體現(xiàn) “同性相斥、異性相吸”. 質子和電子之間既有電磁相互作用,又有引力相互作用.靜止的質子和電 子之間的引力相互作用勢為 VG(r)=-Gmprme. 這里是引力常量,其值為 -113-1-2 G=(6.673±0.010)×10mkgs=(6.707±0.010)×10-39..c(GeV/c2)-2. 靜止的質子和電子之間的電磁引力相互作用勢為 2 eα..c VEM(r)=- 4πεr=- r. 0 α是精細結構常數(shù),其值為 2 e1α= 4πε0..c= (
137.0359 99976±0.00000050) . 質子和電子之間的引力相互作用比電磁相互作用要弱得多,兩種相互作用勢的 比值為 R= VG(r) = Gmpme4πε0= Gmpme 2 VEM(r)eα..c 40 =4.40668×10(-) 由此可見,和電磁相互作用相比,它們之間的引力相互作用完全可以忽略. 20世紀20年代,英國天文學家和理論物理學家愛丁頓(ArthurStanleyEddington) 曾認為宇宙中的基本粒子只有質子、電子、光子三種,而宇宙就是由 79 總數(shù)約10個質子和電子構成,是一個有限、無邊的正在膨脹的宇宙. 從這種理論出發(fā),也就提出了一系列需要研究解答的基本問題:為什么電 荷有最小單位?為什么電荷最小單位所決定的精細結構常數(shù)值約為1/ 137.036?為什么正電荷的最小單位— ———質子比負電荷的最小單位—— ——電子質 1 0第六章 粒子世界 0 量重1836.15倍?為什么宏觀上正負電是對稱的,但正負電荷的最小單元質 子和電子又非常不對稱? 狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn) 物理學實驗和理論的發(fā)展很快地打破了這個格局,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾個新的基 本粒子,展示了粒子世界的豐富多彩的新局面. 1928年,英國物理學家狄拉克提出了一個電子運動的相對論性量子力學 方程,即狄拉克方程.利用這個方程研究氫原子能級分布時,考慮有自旋角動 量的電子作高速運動時的相對論性效應,給出了氫原子能級的精細結構,與實 驗符合得很好. 24 E=mc21-α-αn- 3+.,。睿剑睢洌耄剑保,. 24 2n2n|k|4
從這個方程可以自動導出電子的自旋量子數(shù)應為1/2,還可以自動導出電子自 旋磁矩與自旋角動量之旋磁比的朗德g因子為軌道角動量旋磁比的朗德g因子 的2倍,即g=2,gL=1.電子的這些性質都是過去從分析實驗結果中總結出 S 來的,并沒有理論的來源和解釋.狄拉克方程卻自動地導出這些重要基本性 質,是理論上的重大進展.利用這個方程還可以討論高速運動電子的許多性 質,這些結果都與實驗符合得很好. 這些成就促使人們相信狄拉克方程是一個正確地描寫電子運動的相對論性 量子力學方程.既然實驗已經充分驗證了狄拉克方程的正確,自然期望利用狄 拉克方程能夠預言新的物理現(xiàn)象.按照狄拉克方程給出的結果,電子除了有能 量取正值的狀態(tài)外,還有能量取負值的狀態(tài),并且所有正能狀態(tài)和負能狀態(tài)的 分布對能量為零的點是完全對稱的.自由電子的能量為 222 E=±cmc+p. 式中m是電子的靜止質量,p是電子的動量.p= 0給出正能的最低值和負能的最高值.這兩個能 2 級之間的能量差為2mc. 自由電子最低的正能態(tài)是一個靜止電子的狀 2 態(tài),其能量值是一個電子的靜止能量mc,其它 的正能態(tài)的能量比一個電子的靜止能量要高,并 且可以連續(xù)地增加到正無窮.與此同時,自由電 子最高的負能態(tài)的能量值是一個電子靜止能量的 2 負值-mc,其它的負能態(tài)的能量比這個能量還要 低,動量越大,能量越低,并且可以連續(xù)地降低 到負無窮,如圖6-1所示.圖6-1 電子能級的分布 §6. 0 1
狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn)。薄。 這個結果表明:如果有一個電子處于某個正能狀態(tài),則任意小的外來擾動 2 都有可能促使它跳到某個負能狀態(tài)而釋放出至少2mc的能量.同時由于負能 狀態(tài)的分布包含延伸到負無窮的連續(xù)譜,這個釋放能量的躍遷過程可以一直持 續(xù)不斷地繼續(xù)下去,這樣任何一個電子都可以不斷地釋放能量,成為永動機, 這顯然是完全不合理的. 針對這個矛盾,1930年,狄拉克提出一個理論,被稱為空穴理論. 這個理論認為由于電子是費米子,滿足泡利不相容原理,每一個狀態(tài)最多 只能容納一個電子.由于電子有自旋,每一個確定能量的運動狀態(tài)有兩個.物 理上的真空狀態(tài)實際上是所有的負能態(tài)都已經填滿了電子,同時正能態(tài)中沒有 電子的狀態(tài).因為這時任何一個電子都不可能找到能量更低的還沒有填入電子 的能量狀態(tài),也就不可能跳到更低的能量狀態(tài)而釋放出能量,也就是說不能輸 出任何信號,這正是真空所具有的物理性質. 圖6-2是空穴理論的示意圖.左邊的圖就是真空的示意圖.真空并不是 真正的 “空”,不是真正的一無所有.真空中充
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