原子核物理简称“核物理”,它是研究原子核的结构、性质及其相互转化规律的一门学科。

人们对物质内部结构的认识,在20世纪之前只限于原子,认为原子是物质结构的最小组成部分(也称为物质的基本构件),它不可能再分了。19世纪末到20世纪初,由于生产实践的发展,人们认识到原子是由原子核和围绕原子核运动的电子构成。原子核很小,半径约为10-13㎝。人们一般把这样大小的粒子称为微观粒子。这种很小的粒子(原子核)也有内部结构。原子核由质子和中子构成。质子是一个带正电的粒子,其电荷量与电子所带电荷量相同,但质量为电子的1836倍(电荷的最小单位称为电子,汤姆逊把相对原子质量为1/1840带有负电荷的粒子,命名为电子)。中子不带电,其质量为电子质量的1838.6倍。质子和中子统称核子。原子核外散布着带负电的电子,原子质量的绝大部分是原子核的质量,原子核质量占整个原子质量的99.97%,而太阳占整个太阳系质量的99.87%。

因为原子这个电子绕核旋转的系统非常像太阳系,所以人们自然会设想,已经明确建立起来的、决定行星绕太阳运动的天文学定律,也同样会支配着原子内部的运动。实际上这是错误的。因为根源在于原子内部的电子与太阳系中的行星不同,它们是带电的。因此,在绕核做回旋运动时,它们会像任何一种振动或转动的带电体那样产生强烈的电磁辐射。

谁能保证用来解释天体和一般大小的物体运动的定律,同样能适用于电子的运动呢?

原子核里的核子间结合得非常紧密,使核子紧密结合的力称为核力。核力是核子间所特有的一种强相互作用力。这种力在宏观领域里没有见到过。核力的特点是强度大,作用范围却相当小,它只在十亿分之一厘米的范围内起作用。超过这个范围,核力便很快减小,不起作用。

从微观的角度来看,原子是物质结构的第一层次。原子又是由原子核以及核以外的电子所构成,这是物质结构的第二个层次。而原子核又由质子、中子构成,现在人们把原子核次一级的小粒子,如质子、中子、光子等统称为基本粒子,它们是物质微观结构的第三个层次。

研究基本粒子内部结构及其转化的科学,就是基本粒子物理学。因为需要极大的能量才能改变基本粒子的状态,所以基本粒子物理学又叫高能物理学。这门学科是在20世纪50年代才开始的。

目前,人们已经发现的基本粒子共有400多种(而已知稳定的粒子约50多种),这些粒子性质各不相同,有的带正电,有的带负电,质量大小也不一样。而且它们多数是不稳定的,千变万化的。但是大体上可将其分为三大类：第一类称为媒介子,能传递粒子间相互作用,包括传递电磁作用的光子,传递强作用的胶子,传递弱作用的W±,Z0粒子;第二类称为轻子,包括电子、μ介子及其中微子,还有新发现的重轻子——J轻子,这些粒子具有电磁作用和弱相互作用;第三类称为强子,包括质子、中子、π介子以及近年来发现的新强子。这一类粒子数目最多,它们既有强相互作用,又有电磁相互作用。

由于基本粒子很小,人们既看不见它,更摸不着它,研究这类微观世界的物质现象和规律只有靠特殊的方法。物理学家是用高能粒子做“炮弹”去轰击基本粒子,来研究其内部结构及规律的。过去研究原子的结构时,就是采用这种方法。不过研究原子的结构时,变革原子所需要的能量比较小,通常用10eV(1个电子电荷通过1V电位差时,电场所做的功)左右的能量就能够把原子外层的1个电子打掉,使原子“电离”。所以,从这一点来讲,可以把原子物理叫作“低能物理”。研究原子核的时候,变革原子核所需要的能量就比较高了,要从原子核里打出一个质子,大约需要800万电子伏特的能量,比从原子外层打掉一个电子所用的能量高80万倍。所以通常把原子核物理叫作“中能物理”。而研究基本粒子所需要的能量,比变革原子核所需要的能量就更高了,因此把基本粒子物理学叫作“高能物理”。(www.daowen.com)

轰击基本粒子的“炮弹”(即高能粒子)从何而来呢?有两种来源：一种是用人工的办法产生;另一种就是利用天然的高能粒子。天然的高能粒子来自宇宙射线,用其中的高能粒子来变革基本粒子,研究基本粒子的结构,是高能物理的一个重要组成部分,称为宇宙线物理。中国在云南的一座海拔3180m的高山上,于1953年修建了一座宇宙线实验室,装备了两台云雾室。1965年,在海拔3200m的云南东川地区又建立了高山大型云雾室组;1972年,该处发现了一个可能的重粒子(质量比质子质量大10倍以上),引起了国际上的高度关注。1977年,中国又在西藏一座海拔5500m的高山上建立了乳胶室群,为中国在乳胶室超高能相互作用的研究方面赶超世界水平打下了基础。利用太空来的宇宙线有一个优点,就是它能提供很高能量的粒子,宇宙线中大部分的粒子具有几亿甚至几十亿电子伏特的能量,少数粒子还具有更高的能量,曾经有人在宇宙线中探测到能量为1021eV的高能粒子。与此对比,目前欧洲核子中心的大型对撞机(LHC)能够产生的高能粒子的能量,最高也不过7×1012eV。但宇宙线的缺点是,高能粒子数目太少,例如在1m2的面积上,能量为百万亿电子伏的粒子,每小时大约也只有1个从宇宙空间射向地球大气层表面。

宇宙线粒子很小,能量高,它们以接近光速的高速度飞行,因此,人们肉眼无法直接看到。科学家是利用宇宙线粒子与物质作用的次级效应,制造的一种专门探测仪器(如盖革计数器、云雾室、核乳胶等探测器),来间接探测宇宙线粒子的“足迹”。早在20世纪30～40年代,人们在宇宙线中就相继发现了正电子、μ介子、K介子、Λ超子、Σ超子等基本粒子。但是由于高能粒子太少,又不能人工制造,人们还不能支配宇宙线中粒子的种类、数量和能量,只能“靠天吃饭”。为了对基本粒子现象做定量的精确研究,光靠宇宙线就不够了,必须用人工方法,在实验室中产生出高能的粒子流,从而导致了高能粒子加速器的产生。

一般用人工产生高能粒子的方法是：利用电磁场的作用,在高能加速器中把带电粒子加到极高能量,这样得到的粒子数目比从宇宙线中得到的多,而且可以人工控制,也方便做精密的研究。

用高能粒子轰击基本粒子,会产生出各种新的基本粒子来。研究这些新产品就可以弄清基本粒子的结构及其相互作用和转化的规律。基本粒子很微小,人们肉眼看不见,必须用仪器来探测。这种探测或辨别各种粒子的仪器叫作高能探测器。在实验中,靠高能探测器来记录和分辨变革后产生的粒子及其性质。因此提高高能探测器对各种粒子及其性质的记录和分辨能力,并加以改进和创新,是发展基本粒子物理研究的重要环节。

高能物理实验所取得的数据,数量是很大的。分析和处理这些数据的工作,就显得十分繁重,现在一般采用电子计算机处理数据。

探索基本粒子内部更深层次的结构及其规律,是高能物理研究的一项重要任务。中国科学工作者于1965—1966年提出了“层子”模型,认为强子是由更深的物质(或更小的物质)层次即层子(国际上称为夸克)构成的,而层子本身也是可分的,此项工作受到国际上的重视。后来国际上又发现了一种新的粒子称为胶子,它有很强的力量把层子和层子“粘”在一起。美籍华裔科学家丁肇中领导的高能物理实验小组,在德国汉堡的一台高能加速器上,首次找到了胶子存在的实验证据,这给强子是由层子(夸克)组成的理论以新的支持,从而使人们对研究量子色动力学的信心大为增强。

高能物理是人类认识自然界的一门重要学科。从历史情况看,19世纪末到20世纪初,人类认识了物质微观结构的第一个层次(原子)以后,产生了电子学、固体物理学、半导体物理,出现了电子计算机、自动化、激光等新技术。人们在认识了物质微观结构的第二个层次(原子核)以后,又产生了原子弹、氢弹,从而展现了人类利用原子能的广阔前景。这些历史经验告诉人们,高能物理的进展,将直接和间接地影响到其他学科,开拓一系列新的研究领域,并将影响到国民经济的各个部门。它同新材料、新能源、新技术、新工艺等的更新和发展有着不可分割的密切联系。