弱相互作用力是四種基本自然力之一,屬於短程力(作用範圍小於10-15米),作用強度弱於強相互作用力但強於引力,作用於誇克、電子等費米子,通過交換W±和Z玻色子傳遞,具有宇稱不守恒特性。
其主導β衰變、中子衰變等過程:中子衰變為質子、電子和中微子時,弱力通過改變誇克味量子數實現衰變。β衰變中能量缺失問題由泡利1930年提出中微子假說解釋,費米據此建立首個弱力理論,量化其強度為強力的10-13倍。
弱力研究始於19世紀末放射性現象的發現,倫琴發現X射線穿透性後,貝克勒爾觀察到鈾鹽自發輻射,居裡夫婦從瀝青鈾礦中分離出鐳元素。20世紀物理學家確認放射性含a、β、γ射線類型,其中β射線被證實為電子流。1956年李政道與楊振寧提出弱力宇稱不守恒理論,隨後電弱統一理論闡明弱力與電磁力的關聯。1983年W±與Z玻色子的實驗發現驗證了弱力載體機製。
研究曆程:產生:在基本粒子之間還存在另一種短程相互作用力——弱力,弱力的作用距離比強力更短,作用力的強度也比強力小得多,但在放射現象中起重要作用,β衰變中放出電子和中微子,電子和中微子之間隻有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之間。
神秘的射線:1895年,德國的一位物理學家威廉·康拉德·倫琴發現置於真空放電管附近的密封底片,雖然沒有暴露在光線下,但卻變成了灰色。倫琴斷定,放電管內一定存在著能穿透底片的“光線”。他抓住這一現象追蹤下去,並將塗有鉑氰酸鉀磷光質的屏幕,置於放光管附近,屏幕閃閃發光。他又將金屬厚片置於放電管和磷光屏中間,屏幕後便出現了金屬的陰影。倘使再換上輕質的薄鉛片或木片,屏幕幾乎看不到這種陰影。當用這種射線來觀察人體時,更為神奇的現象發生了:人體在屏幕後除剩下骷髏般的骨骼外,其它的一切都不見了。
無獨有偶,繼神秘的X射線發現之後,1896年,法國的亨利·貝克勒爾,想起了有一種天然鈾鹽礦石,經太陽曝曬之後,在暗室中觀察,礦石會發出一種淺綠色的熒光。他為了考察新發現的X射線,將一塊天然鈾鹽礦石放在一張用黑紙包起來的照相底片上,打算放在太陽下曝曬,看底片是否也會像X射線那樣感光。十分不巧,天氣陰雨,貝克勒爾隻得把底片連同礦石一起鎖在不見光的抽屜裡,並無意地在底片上放了一把鑰匙,許多天過去了,貝克勒爾靈機一動,不妨把這張底片也衝出來看看。又一樁神奇的現象出現了:底片早已感光了,還呈現出一把鑰匙的清晰陰影。進一步考察表明,這種射線是一種新的、穿透力也很強的射線。
1900年,居裡夫婦開始有係統地從元素、化合物、天然礦物中尋找這種效應。他們從瀝青鈾礦和其它幾種含鈾礦物中,發現了比鈾鹽更為活躍的元素。居裡夫人和貝蒙特合作,從瀝青鈾礦中製取了放射性元素鐳。另幾位學者還發現了釙和錒。
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射線三種不同成分:這一連串的新奇發現,引起了科學家們的震驚和注意。原來,原子量很大的元素,幾乎都具有放射性。經過一段研究之後,人們才弄清了放射出來的射線具有三種不同的成分:一種叫a射線,這是由a粒子組成的正電荷粒子流,經過質量和電荷測定,確定a粒子就是氦的原子核,具有強電離作用,在電場中偏向負極;一種是β射線,也就是貝克勒爾發現的射線,它其實就是一種高速運動的電子流0\/-1e,貫穿能力很強,電離作用弱,在電場中偏向正極;還有一種射線叫γ射線,這是一種比X射線穿透力還要強得多的射線,它是一種不帶電的高能電磁波,波長很短(0.001-0.0001nm),穿透力強,射程遠,一次可照射很多材料,而且劑量比較均勻,危險性大,必須屏蔽(幾厘米的鉛板或幾米厚的混凝土牆),在電場中不偏向。
物理學家們開始把注意力集中到原子核內部。那些來自原子核深處的神秘射線顯示出:物理學中尚有一塊未被開墾的“處女地”。到底是什麼力量把a、β、γ射線中的粒子從原子核內部拋出來的呢?直到20世紀30年代,人們對原子核內部有了一個初步了解之後,才發現了支配微觀世界規律的,又有一種新的自然力。
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