亞原子粒子

到1920年，科學(xué)家已經(jīng)知道每一個原子都是由原子核和電子組成，且?guī)д姷脑雍吮粠ж撾姷碾娮釉扑鼑Ｔ硬⒉皇恰盎玖Ｗ印薄獦?gòu)成物質(zhì)的最基本的材料，不可再拆分成更小的微粒。不久，科學(xué)家們不斷地發(fā)現(xiàn)了比原子更小的粒子，使人們對微觀世界的認識更加深入。

安裝在卡文迪許實驗室的一臺電壓放大器，在1937年，它作為菲利浦百萬伏加速器的部件，其百萬伏電場用于加速粒子。

新西蘭裔英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（1871～1937年）用α粒子（氦核）轟擊氮原子時，發(fā)現(xiàn)氫核被釋放出來，也就是說，氮核中必定含有氫原子核。1920年，盧瑟福建議將釋放出的氫原子核命名為“質(zhì)子”（源自希臘語中的“protos”，意思是“第一”）。質(zhì)子的質(zhì)量是電子的1836.12倍。原子絕大部分的質(zhì)量都被原子核占據(jù)。同年，盧瑟福提出了比氫原子質(zhì)量大得多的原子核還包含了不帶電荷的微粒。

自1919年起，盧瑟福一直擔任劍橋大學(xué)的物理教授和卡文迪許實驗室的主任。盧瑟福研究的重點仍然是用α粒子（氦核）轟擊不同種類的原子核。1925年，英國物理學(xué)家帕特里克·布萊克特（1897～1974年）在盧瑟福的指導(dǎo)下，將云室——1911年蘇格蘭物理學(xué)家威爾森（1869～1959年）發(fā)明——改進為一種能記錄原子的瓦解的裝置。但是α粒子所具有的能量還不足以將質(zhì)量較大的原子核轟擊成碎片，因此，對質(zhì)量較大的原子核需要用能量更強的粒子轟擊。1932年，英國物理學(xué)家約翰·考克勞夫特（1897～1967年）和愛爾蘭物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·沃爾頓（1903～1995年）在卡文迪許實驗室建造了世界上第一臺粒子加速器，利用電磁鐵產(chǎn)生的強大磁場加速質(zhì)子，然后直接轟擊目標。

20世紀20年代，德國物理學(xué)家瓦爾特·波特（1891～1957年）在柏林領(lǐng)導(dǎo)一個科學(xué)家小組進行了一系列的科學(xué)實驗，他們用α粒子轟擊幾種較輕元素的原子核，這些元素包括鈹、硼和鋰。1930年，他們發(fā)現(xiàn)轟擊原子核時會產(chǎn)生高能穿透輻射，起初，這些科學(xué)家認為這是一種γ射線輻射，但是這種輻射的穿透力比任何見過的γ射線輻射都要強。

1932年，法國物理學(xué)家約里奧·居里夫婦——伊倫·約里奧·居里（1897～1956年）和弗雷德瑞克·約里奧·居里（1900～1958年）——發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊石蠟或其他類似的碳氫化合物（由氫和碳元素組成）時，會發(fā)射出能量很高的質(zhì)子。對這一現(xiàn)象的進一步研究使科學(xué)家對波特觀察到的所謂γ射線推論產(chǎn)生了越來越多的質(zhì)疑。英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克（1891～1974年）在卡文迪許實驗室證實了轟擊原子核所產(chǎn)生的射線不可能是γ射線，他還指出該輻射所含的粒子的質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量一樣，但是不帶電荷。查德威克認為這種新粒子是被束縛在一個電子（氫原子）內(nèi)的質(zhì)子，當他用α粒子轟擊已知原子量的硼原子時，就能計算出這種粒子的質(zhì)量——該粒子為1.008 7原子質(zhì)量單位，略大于質(zhì)子（1.007276質(zhì)量單位）。因為該粒子不帶電荷，所以被稱為中子。在原子核內(nèi)，中子很穩(wěn)定，但到了原子核外，中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子，以及一個反中微子。質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子核，一起被稱做核子。

沃爾夫?qū)づ堇?900～1958年）是20世紀最偉大的物理學(xué)家之一，1930年，泡利對β射線進行研究——由不穩(wěn)定的原子發(fā)射的電子流，這些電子看起來失去了一些能量，但是沒有人能找出電子失去能量的原因，這與基礎(chǔ)的物理定律之一——能量不能憑空創(chuàng)造和失去——是矛盾的。為了解開這個謎團，泡利提出β輻射還包含了一種以前不為人知的粒子，具有在靜止時既不帶電也沒有質(zhì)量的特性。意大利物理學(xué)家恩里克·費米（1901～1954年）在1934年證實了這種粒子的存在，并把它叫做中微子。

英國理論物理學(xué)家保羅·狄拉克（1902～1984年）對量子電動力學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻。19世紀20年代后期，理論物理學(xué)家對電子的研究非常感興趣，狄拉克對德國物理學(xué)家沃納·海森堡（1901～1976年）對電子作出的描述很不滿意，于是提出了自己關(guān)于電子的表述——狄拉克方程，并提出電子有帶上正電荷的可能性。1932年，美國物理學(xué)家卡爾·安德森（1805～1991年）發(fā)現(xiàn)了這種粒子的存在。1933年，帕特里克·布萊克特也獨立地發(fā)現(xiàn)了該種粒子。后來，這種粒子被稱為正電子。正電子是第一種被發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)粒子。

1937年，安德森與研究生塞恩·尼德梅耶（1907～1988年）合作發(fā)現(xiàn)了μ子——與電子相似的極不穩(wěn)定的粒子，但質(zhì)量是電子的200多倍。

一個云室包含水和酒精的一種蒸汽化混合物，當帶電粒子從中穿過時，該混合物會濃縮。混合液滴的一道蹤跡路徑會產(chǎn)生標示著粒子運動的軌跡。這張攝于1937年的照片顯示了一個α粒子（氦核）的運動軌跡。