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跟胖哥学物理神秘的中微子

(2019-03-15 08:22:47)
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杂谈

分类: 生活中的物理
跟胖哥学物理神秘的中微子

         感谢悟空要求,首先提问者设计三个问题:一是原子核裂变,而是中子在裂变中作用,三是什么是中微子,中微子能不能跟一些物质的原子核碰撞后发生核变化。根据提问者缺乏基本原子核物理学基本概念,因此问题矛盾而缺乏尝试。
       既然原子弹是重核裂变,一定是比较大的原子核被加速后的中子撞击后发生裂变,也就是被撞击后分裂成两个小核和新的中子。在物理学中,重核一般是大于铁原子核一类物质。同学们知道,要发生碰撞,物理的质量应该是一个很重要问题,人类只所有选择中子,因为中子不带电质量分数为1,这样撞击中核时才会引起中核裂变。
        至于电子,由于质量太轻,不论你怎样加速,电子获得能量撞击重核,都相当于一个蚂蚁来撞人一样后果,几乎不能撼动原子核。同时,电子带电荷,不论正负,由于原子核带正电荷,它产生电场不会让电子靠近它。
        自然辩证法告诉我们,自然界任何变化,包括化学变化和原子核变化,都遵三个守恒:能量守恒、质量守恒和电荷守恒。人类就是在研究原子核物理过程中,由于实验中能量不守恒才导致中微子发现。
        1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子 (n → p + e) 的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!
        一直到了1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。
        1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。正是有了中微子概念,人类才真正懂了β衰变。
        因为中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。因此当泡利提出中微子,虽然很很好解释β衰变衰变后能量守恒问题,但是由于中微子“隐身”问题,人类一度没有发现它的踪影而只能把泡利说法当做假说。因为科学上存在,必须要找到它。
        要说中微子在地球上是很多的,因为太阳不只赋予我们光,还发射了无数中微子,一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。可是,泡利提出了中微子概念,人民在很多原子核研究中也不断引用,但人类却一直无能为力,因为这个微观世界的“佐罗”隐身技术太好了。
        中微子终于在1956年被美国物理学家柯万和莱因斯等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器,发现 从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用,发生β衰变并产生伽马射线和中子 。鲍利在这次发现不久后去世,也算是幸运地在有生之年看到了中微子的成功探测。
        后来科学家们才发现,太阳在核聚变中释放出来的中微子只有三分之一到达地球表面,是因为中微子会发生一种中微子振荡的现象。中微子有三种“属性:分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子,任何一味的中微子都会随着时间变化而振荡变成另一种。
         太阳内核只生产电子中微子,但是电子中微子在穿越真空来到地球的过程中会来回振荡,有时是渺子中微子,有时是陶子中微子,有时变了一圈又回到电子中微子。所以当它们被地球上 (只能探测到电子中微子) 的探测器所捕获时,已经有2/3的电子中微子变成了另外的一种。而且地球表面充斥着来自外太空的高能粒子“宇宙线”,可以产生类似中微子的信号。因此人类经历26年才终于找到它们。
        柯万和莱因斯等第一次通过实验直接探测到了中微子。他们的实验实际上探测的是核反应堆β衰变发射的电子和反中微子,该电子反中微子与氢原子核(即质子)发生反β衰变,在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号,从而实现对中微子的观测。他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖。
        到了目前,我们已经完全知道中微子,轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号希腊字母v表示。通过笔者对中微子概念提出到发现,大家都明白了。提问者太荒唐了,中微子电子是中微子一种,它们比电子质量还小,虽然不受原子核产生电场作用,怎么可能被加速后去撞击重核。相比蚂蚁撞人,中微子堪比雾霾中霾了,能让人感觉它存在就不错了。
       其实,因为中微子太小,它们可以穿过人体。“如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”
2019年3月15日于宜昌吾同斋

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