个人介绍
相对论与量子理论-时空与微观世界探秘 北京师范大学 赵峥
提供学校: 北京师范大学
院系: 物理系
专业大类: 物理学
专业: 理论物理
课时: 64

赵峥老师用通俗易懂的语言为我们介绍了相对论,还有关于宇宙以及世界的一些神奇的探索。而且赵老师有丰富的历史背景知识,为我们讲述了物理大师们的趣闻趣事。

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仅仅一克反物质就相当于20万吨当量的核炸弹的能量——比当年扔在广岛的那颗原子弹要强2000多倍。反物质到底是怎么发现的?

教师团队

赵峥 教授

部门:物理

职位:理论物理博士生导师

8.2 反粒子

正电子

正电子,又称阳电子、反电子、正子,基本粒子的一种,带正电荷,质量和电子相等,是电子的反粒子。也叫阳电子。最早是由狄拉克从理论上预言的。1932年8月2日,美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告,他们发现了正电子。正电子的发现是利用云雾室来观测的。在云雾室中充入过饱和的乙醚气,当物质放射出正电子时,正电子穿过云雾室,在正电子运行轨道中出现液滴线,通过外加磁场测量正电子的偏转方向及半径就可以知道它的带电符号,及荷质比(带电量与质量的比值)从而确定正电子的性质。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。

赵忠尧是第一个观测到正反物质湮灭的人,也是物理学史上第一个发现了反物质的物理学家。这个发现足以使赵忠尧获得诺贝尔奖,当时瑞典皇家学会也曾郑重考虑过授予他诺贝尔奖。不幸的是,有一位在德国工作的物理学家对赵忠尧的成果提出了疑问,虽然后来事实证明赵忠尧的结果是完全准确的,错误的是提出疑问的科学家,但这却影响了赵忠尧的成果被进一步确认。1936年,为了表彰正电子的发现这一重要成就,瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊,而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。(安德逊也承认,当他的同学赵忠尧的实验结果出来的时候,他正在赵忠尧的隔壁办公室,当时他就意识到赵忠尧的实验结果已经表明存在着一种人们尚未知道的新物质,他的研究是受赵忠尧的启发才做的。)当然,后来,作为正电子的发现者被证明(在赵老逝世前一年,终于可以告慰世人和赵老英魂)。

反质子

正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论,一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明,即使不能形成稳定的负能粒子海,也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。

早在1928年,狄拉克便预言了反质子的存在,但证实它的存在却花了20多年的时间。根据狄拉克的理论,反质子的质量与质子相同,所带电荷相反,质子与反质子成对出现或湮没,用两个普通的质子碰撞便可获得反质子,但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年,在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室,建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器,这为寻找反粒子提供了条件。1955年,张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少,大约每1000亿高能质子的碰撞,才能产生数量很少的反质子,因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大,记数系统虽不算好,但较为可信。


反氢

反氢(Antihydrogen)是对应元素氢的反物质,每颗氢原子是由一颗正质子及负电子组成,而反氢则是由一颗反(负)质子及正电子组成,其化学符号多以“H”上加一横条表示。

自然界的环境不会出现反氢,因此需靠人们以粒子加速器来制造。1995年,欧洲核子研究委员会(CERN)成功在瑞士日内瓦的研究所中,以射击反质子来制造反氢原子,而这些反质子是在粒子加速器中的氙原子团中产生的。当一粒反质子接近氙原子核时,会产生正负电子各一粒,正电子给反质子抓获时,便会产生反氢原子。由于每粒反质子能变为反氢原子的机会率约为10的-19次方,因此以这个方法去大量生产反氢原子,成本定会极为昂贵。


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