科技知识之科学前沿1

1．物质结构

    (1)人们对物质结构的认识过程。

    近百年来，在科学实验的基础上，物理学家发现了电子、质子和原子核并逐步形成了原子模型，认识到原子是由原子核与核外运动的电子所组成。最初的认识是原子核由质子组成，一定数目的电子和相同数目的质子组成原子，不同电子数和不同质子数的原子构成不同的元素。

   本世纪30年代，科学家们又陆续发现了中子、正电子。后来在宇宙线中又发现了u子、丌介子和奇异粒子。50年代以后，通过高能加速器又发现了大批新粒子。这里所说的“粒子”是指比原子核更小的下一个层次的微小颗粒。到目前为止，已发现的粒子有几百种，它们当中绝大多数在自然界中不存在，是在高能实验室里产生出来的。

    按照目前近代物理研究的最新成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子，而是夸克和轻子(电子是其中的一种)。人们对微观世界认识的尺度一下子深入到原来的十亿分之一。

    (2)四种基本力。

    人类迄今认识到：世界万物的千变万化，可归结为四种基本力，即引力、弱力、电磁力和强力的相互间作用规律。

    弱力和强力在宏观世界中不能直接观察到，它们都是在很小的距离内才起作用，只有在微观世界即粒子间的相互作用中才显示出来。

   弱力在中子及其他粒子衰变过程中出现，其强度比引力强，但比电磁力弱得多。

    强力是夸克之间的相互作用力，其强度最大。这种力使夸克组合成强子。

    每一种力都通过一种相应的粒子来传播。弱力的传播子是中间玻色子W+，W—和Z0；电磁力的传播子是光子；强力的传播子是胶子；引力的传播子由于作用太弱，极难探测到，至今尚未发现。

    (3)粒子的种类。

    根据作用力的特点，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

    (4)高能加速器。

    高能加速器是指粒子反应能在3吉电子伏以上的加速器。高能加速器是粒子物理研究的工具，形形色色的粒子靠它们来产生。

    (5)对撞机的原理和类型。

    对撞机同时加速两种粒子，使它们沿相反方向运动和得到加速，然后在固定的位置上发生碰撞。这样可以得到很高的有效作用能，而且不需要的粒子少，当然，技术难度要大得多。

    目前世界上的高能加速器中对撞机占多数，有正—负电子对撞机、质子—反质子对撞机、质子—质子对撞机和电子—质子对撞机，最多的是正—负电子对撞机。我国在1988年建成的北京正—负电子对撞机(BEPC)，能量为5．6吉电子伏，规模较小，能量较低，但对撞亮度高，即对撞时产生新粒子的概率大，工作在粲夸克和，轻子的研究领域。西欧核子研究中心的LEP是当今世界上能量最高的正—负电子对撞机，能量为100吉电子伏，主加速器周长27公里。

    (6)观测粒子的眼睛——探测器。

由高能加速器或对撞机产生的新粒子用大型粒子探测器来观测。将探测器安装在对撞机的粒子对撞区，尽可能把对撞点包围起来，以得到最大的接收立体角。所有大型粒子探测器都是多种探测器的组合体，原理相似，结构各异，规模不等。各种探测器的基本原理是使带电粒子在穿过物质时，由于电离效应、辐射效应等留下径迹，用电子学方法和计算机手段捕捉这些信息，再加以放大、分析处理，以得到粒子的能量、速度、动量等。