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1914年查德威克在观察中发现,在β衰变中放射性原子核发射出的电子并不像α粒子或γ射线那样以确定的动能出现,而是具有连续的能量谱,其能量范围从零一直到该原子核的最大特征值。这个发现令人十分惊讶,因为物理学家原来预期电子的能量,应该等于β射线发射前后原子核能量之差,对特定的元素放射性来说,这个能量应该是一个固定的数值。当时有人认为,这个能量可能被电子和一种未查出的γ射线分别获得。如果真是这样,那么释放出的总能量就应该等于β电子的最大能量值,即在那些被γ射线带走的能量可以忽略不计的情形下,等于β衰变中β电子的能量。但是1927年埃利斯(C. D. Ellis)和伍斯特(W. A. Wooster)在测量β放射性原子核镭E(210Bi)产生的总热量时,发现每个原子核发射的能量并不等于β电子的最大能量,而是等于β电子的平均能量。当这个结果被迈特纳(L. Meitner)和奥尔斯曼(W. Orthmann)在1930年证实以后,一个危机就很明显地出现了。就连尼尔斯·玻尔这样著名的学者,也开始怀疑在β放射性过程中能量是不是还遵循能量守恒定律。
沃尔夫冈∙泡利(Wolfgang Pauli,1900—1958)在给他的朋友的一些信中提出,在β衰变中除了发射电子以外,还发射了另一种粒子,它与电子分享了可资用的能量;而且,这个粒子(虽然是电中性的)不是γ射线,但穿透力却非常的强,以至于在埃利斯和伍斯特的实验中它的能量不会转化为热。1932年中子被发现以后,泡利假设的粒子被称为中微子(neutrino)。
1933年费米把中微子纳入到他的β衰变理论之中,其基本过程是原子核内(或外)的中子自发地转变为一个质子、一个电子和一个中微子。比较费米理论中预言的电子能量分布与实验的观察之后,人们确信:中微子的质量一定非常的小,远远小于电子的质量。1999年的测量表明,中微子质量的上限大约是10-4电子质量。费米的理论还使人们可以计算出在物质中吸收中微子的截面。由于基本的相互作用如此之弱,这个截面非常的小,以至于在β衰变过程中产生的典型中微子,要在铅中穿行几光年以后才能被吸收.所以,它们在埃利斯—伍斯特实验中对测量的热能没有贡献,是一点也不奇怪的。电子和中微子都可以感受弱力的作用,并引起核的β衰变。
在20世纪60年代,物理学家提出一个“电弱”(electroweak)理论。由于某些特殊原因,确实存在一个大质量带负电的粒子W—和它的反粒子W+。 在核的β衰变中,一个中子转变为一个质子,并发射一个W—粒子,于是电荷就守恒了;接着W—粒子转变成一个电子和一个反中微子。电弱理论最简单的说法是,这个家族应该还有第4个同胞兄弟;一个大质量电中性的Z0粒子;它的场不像电磁场,它可以同时作用于中微子和带电轻子。Z0粒子的非直接效应在1972年被发现,接着在1983年发现了W粒子和Z粒子,它们的质量分别是电子质量的157400倍和178450倍,正好是电弱理论所预言的。
《亚原子粒子的发现》读书笔记
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