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2024年3月17日发(作者：)

粒子的进一步研究和发现

1、轻子的发现

我们讲述了4种粒子：电子、正电子、中微子和反中微子，他们都是轻子。它们所带

的电荷分别为－1、＋l、0和0；其质量分别为l、l、0和0。它们的自旋为＋l/2或－l/2。

由于它们的自旋均为半整数，因此它们都是费米子。而光子和引力子的质量为0，所带电

荷也为0，但它们的自旋分别为1和2；由于它们的自旋为整数，因此它们都是玻色子。

1935年日本物理学家汤川秀树（H．Yukawa）提出介子理论，用于解释强相互作用。

他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子（meson）的粒子发生相互作用。根据核力

的作用范围，可以估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。1936年，安德森仍在山中

研究宇宙线，他注意到了一些以奇怪的方式弯曲的粒子轨迹。这种轨迹的弯曲程度比电子

小，可见它的质量比电子大。但它的弯曲程度又比质子大，这表示它的质量比质子轻。此

外，还有一组完全相像但方向相反的弯曲轨迹，这表示有些为粒子，有些为反粒子。结论

是存在一组质量界于那些已知轻子和已知重子之间的中间质量的粒子和反粒子。测量结果

表明，这种新粒子的质量为电子的207倍，约为质子或中子的l/9。安德森开始把这种新

粒子称做介子（mesotron），现在我们都把安德森发现的粒子称作μ子（muon）。当时人

们以为这就是汤川理论所预言的介子。但是后来又经过多年的研究，证明μ介子与原子核的

相互作用很弱，不可能是汤川所预计的介子。直到1947年，英国物理学家鲍威尔

（C．F．Powell）用核乳胶技术探测宇宙射线，发现另外还有一种粒子，质量为电子静止

质量的273倍，被称为π介子。π介子才真正是汤川（Yukawa Hideki，1907～1981）理

论所预言的粒子。

μ子是第一个在作为原子结构的组成部分、遵守守恒定律或促使亚原子相互作用等方面

均无明显作用的粒子。它所带电荷为－1，与电子完全一样，而反μ子所带电荷为＋l，与正

电子完全一样。事实上，μ子除了其质量和另一个特性外，其他所有方面均与电子完全相同，

同样，反μ子与正电子之间的关系也类似，像所带电荷、自旋和磁场等方面都是这样。在一

个原子中，负μ子甚至可以代替一个电子而生成一个短寿命μ原子。由子μ原子比电子型原

子小得多，两个μ原子可以比两个电子型原子相互靠得更紧。因此，μ原子核的融合趋势比

普通的电子型原子更明显。因此小原子似乎是实现聚变的一种可能途径。μ子与反μ子会相

互湮没，所产生的能量是电子与反电子相互湮没时的207倍。同样，如果将形成一个电子

－正电子对所需能量的207倍集中在一个极微小的区域内，那么也能形成一个μ子－反μ

子对。

1975年，美国物理学家佩尔在加速器内撞击产生的碎片中探测到一种比μ子更重的像

电子一样的粒子。他把这种粒子命名为τ轻子，这里的τ（tau）是希腊语中的一个字母，相

当于英语字母t。人们也称它为τ子。τ子具有电子和μ子的其他所有性质。τ子是一种超重

电子，它的质量是电子的3500倍，是μ子的将近17倍。它的质量几乎是质子或中子的2

倍，但从它的秉性来看显然属子轻子，虽然这个名字主要还是用于那些人们熟悉的质量较

小或没有质量的粒子。τ子的第二个不同在于它的不稳定性，因为它会在一万亿分之五秒内

发生蜕变。在蜕变过程中，它先变为μ子，最终变为电子。如果存在τ原子的话，它们会比

μ原子更小，因此也更容易融合。现在，你也许看到了这种机遇，但是这些重轻子实在太不

稳定了，以至于根本不能作为聚变的实用方法。

假定一个μ子蜕变成一个电子和一个反中微子，在此过程中电荷和动量是守恒的，但是

角动量并不守恒。μ子的自旋为+ l/2或－l/2。一个电子和一个反中微子加在一起，总的自

旋为＋l、0或－l，具体取决子它们各自自旋的符号。两者的总自旋不可能是＋1/2或－l/2。

μ子的蜕变似乎仍然违背了角动量守恒定律，而中子蜕变时情况却不是这样呢？这是因为中

子蜕变时转换成3个粒子——质子、电子和反中微子——3个半整数加起来的总和当然还

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