内容简介

本书是作者在莫斯科工程物理学院多年讲授核物理课程的基础上写成的，

分为两卷。第一卷为《原子核物理学》，主要讨论核物理学中的一些基本问题：稳

定核性质、核模型、α和β衰变、γ辐射、粒子和辐射与物质的相互作用、中子物理

学和裂变物理学基础以及核反应。

第二卷为《基本粒子物理学》，主要讨论基本粒子及其相互作用的性质。研究

N－N相互作用：核力、氘核理论；核子结构；轻子、π介子、奇异粒子、粲粒子、美

粒子和共振态的性质；反粒子物理学；粒子系统学；量子色动力学基础和弱电相

互作用物理学。

本书内容全面，着重概念阐述。可供从事核专业的科研、生产和工程技术人

员阅读，了解实验核物理的基础知识，亦可作为高等学校的学生和研究生的参考

书。

目录

第一部分 核子和反核子物理学，核力问题

第一章 低能核子－核子相互作用与核力

1.1引言

1.2核力的介子理论概念，费因曼（Feynman）图

1.3（N－N）相互作用势的唯象选择，氘核基础理论

1.3.1束缚态存在的条件

1.3.2氘核的波函数和半径

1.3.3氘核激发态的缺乏

1.4散射理论的概念

1.4.1截面和相位

1.4.2散射长度

1.5低能（T＜20MeV）核子－核子相互作用

1.5.1低能（n－p）散射与核力程

1.5.2低能（n－p）散射的进一步分析，核力的自旋相倚

1.5.3中子被正氢和仲氢散射

1.5.4张量力和自旋轨道力

1.5.5低能（p－p）散射

1.5.6（n－n）散射

1.5.7核力的同位旋不变性原理

1.5.8广义泡利原理

1.5.9同位旋的数学描述

1.6本章要点

第二章 高能和超高能核子－核子相互作用

2.1高能（TN＞100MeV）核子－核子相互作用

2.1.1快质子和快中子的产生与探测

2.1.2高能（p－p）和（n－p）散射实验结果的一般特点，极短距离内的强相互作用

2.1.3（n－p）散射截面的角度相关，交换力，饱和作用

2.1.4（p－p）散射截面的角度相关，小距离处的排斥

2.1.5（p－p）散射的相分析，散射引起的极化

2.1.6（n－p）散射的相分析，T＝0时（n－p）散射的角度相关

2.1.7高能中子－中子散射

2.1.8（p－p）和（n－p）散射截面与能量的依赖关系，高能核相互作用的同位旋不变性，截面（σNN）T＝1和（σNN）T＝0的特殊性

2.2超高能（T＞103MeV）核子间的相互作用

2.2.1薄膜靶和喷射靶

2.2.2对撞粒子束

2.2.3超高能（N－N）散射研究结果

2.2.4关于核力特性的结束语

2.3本章要点

第三章 核子结构

3.1最初的实验

3.2核形状因子

3.3核子形状因子

3.3.1核子半径，核子芯问题

3.3.2芯概念的舍弃，矢量主导模型

3.3.3q2＞175fm－2的（e－N）弹性散射，标度定律

3.3.4（e－N）非弹性散射，部分子模型

3.4本章要点

第四章 反核子和反原子核

4.1电荷共轭原理，反核子的基本特性

4.2反质子

4.3反中子

4.4反核子与物质的相互作用

4.5反原子核

4.6本章要点

第二部分 粒子和共振态

引言

1.基本粒子发现史

2.宇宙射线物理学

第五章 轻子

5.1电子和正电子

5.2电子磁矩

5.3正电子素，C宇称

5.4电子中微子和反中微子

5.4.1υe和υe的性质，轻子荷

5.4.2双β衰变

5.4.3研究υe和υe与核子直接相互作用的实验

5.4.4纵向极化中微子理论的概念及其与CP宇称宇恒定律的关系

5.4.5太阳中微子问题，中微子振荡假说

5.5μ子

5.5.1μ子的发现，μ子质量

5.5.2μ子的寿命和衰变模式

5.5.3μ子的弱相互作用

5.5.4在（μ－e）衰变中P宇称破坏

5.5.5μ子的自旋和磁矩，μ子和电子的相似性

5.6μ子中微子和反中微子

5.6.1二种类型中微子υe和υμ存在的假说

5.6.2υe和υμ差别的实验证据

5.6.3轻子荷概念的概括，电子和μ子轻子荷

5.6.4υμ和υμ的质量和螺旋性

5.6.5“DUMAND”工程（深海μ子和中微子探测计划）

5.7μ子与物质的相互作用

5.7.1氢的μ原子和μ分子，μ催化作用

5.7.2较重元素的μ原子

5.7.3μ核子原子

5.7.4μ子素

5.8τ轻子和τ中微子

5.9本章要点

第六章 π介子

6.1带电π介子的性质

6.1.1照相乳胶方法

6.1.2π±介子的发现

6.1.3π±介子的寿命和衰变纲图

6.1.4π±介子的人工形成，产生阈和质量

6.1.5π介子的自旋和宇称

6.1.6π介子的核活跃性

6.2中性π介子性质

6.2.1探测π0介子的最初实验

6.2.2π0介子的质量

6.2.3π0介子的寿命

6.2.4π0介子的C宇称

6.2.5π介子同位旋三重态

6.3π介子的相互作用

6.3.1π介子的产生和散射过程

6.3.2同位旋纯态的分离

6.3.3（π－N）散射的相分析，阿根特（Argand）图，布雷特－魏格纳共振公式

6.3.4π介子的G宇称

6.3.5π介子－核子和π介子－π介子共振

6.3.6（π－π）相互作用

6.3.7（π－π）散射的相分析

6.3.8π介子核相互作用

6.4本章要点

第七章 奇异粒子

7.1K介子

7.1.1乳胶室和气泡室

7.1.2K介子的发现

7.1.3（θ－τ）问题

7.1.4K衰变中P宇称的破坏

7.2超子

7.3K介子和超子的分类

7.3.1K介子和超子的奇异特性

7.3.2奇异粒子的同位旋不变性

7.3.3粒子按奇异荷分类

7.3.4奇异荷守恒定律

7.4反超子

7.5奇异粒子与核的相互作用，核子与介子，超核的性质

7.6中性K介子的性质

7.6.1K01和K02介子，联合宇称守恒定律

7.6.2中性K介子的再生

7.6.3各中性K介子的质量差

7.6.4在K02衰变中联合宇称的破坏，K0s和K0L介子

7.7本章要点

第八章 强相互作用的幺正对称性

8.1基本粒子的相互联系和相互转换

8.2强子的分类

8.3关于幺正对称性的假说和强子分类

8.4SU（3）对称

8.5本章要点

第九章 夸克与胶子，量子色动力学

9.1三夸克模型

9.1.1色和味

9.1.2夸克的不可观测性

9.1.3量子色动力学的思想，胶子

9.2四夸克模型

9.2.1第四种夸克存在的假说，粲荷

9.2.2c夸克的发现，Ψ粒子，粲素

9.2.3粲介子和粲重子

9.3Υ（宇普西隆）介子和第五种夸克，第六种夸克存在的问题

9.4胶子存在的实验证据

9.5本章要点

第十章 弱相互作用物理中另外一些问题

10.1弱相互作用的普适理论

10.1.1关于普适弱相互作用的假说，W玻色子

10.1.2普适的四费米子相互作用理论中的一些问题

10.1.3卡比玻（Cabibbo）图象，中性弱流的发现

10.1.4粲粒子和美粒子理论的广义化

10.2弱相互作用和电磁相互作用统一理论

10.2.1弱相互作用普适理论的不可重正性

10.2.2定域规范对称性和补偿场

10.2.3规范对称的自发破坏，萨拉姆－温伯格理论

10.2.4W±和Z0玻色子的发现

10.2.5大统一理论，质子衰变

10.3本章要点

附录

I基本公式

Ⅱ基本常数和单位

Ⅲ克莱布希－戈登（ClebschGordon）系数

Ⅳ 稳定和准稳定粒子表

6.氘核中存在电四极矩，它说明核力是非中心的，是张量型的。也就是说，核力依赖于核

子自旋的相互排列和氘核的“轴”。

7.自旋－轨道相互作用的存在（这一点是在分析核壳模型时揭示的）表明在原子核内运动

的核子是受一种依赖于核子速度（更准确地讲，依赖于它的动量）的力的支配。也许，当研究两

个核子之间的相互作用时，这种自旋－轨道力也应该给予考虑。

8.某些轻原子核能级结构的相似性，导致核力的电荷无关假设（同位旋守恒）。

为了解释这些及其它（将在以后指出）的核力特性，需要一个核力理论。但是，鉴于核相互

作用极其复杂的本质，这样的一个理论迄今还没有发展到完善的形式。目前，我们只能讲一些

解决这一问题的可能的方法。

与原子本身的研究相比，原子核研究是个复杂得多的课题。除了与核相互作用的规律不清

楚，这一事实有关的基本困难之外，还存在一个由强相互作用粒子组成的量子力学系统的理论

计算方法的困难。在复杂核内核子的相互作用并非正好等于一对对核子相互作用的总和。把

这些困难放置一边（借助各种核模型在不同的情况下它们可以加以克服）让我们来研究两个核

子之间的核相互作用。

原则上，有两种方法可以用来建立核子之间核相互作用理论。

1.把核力归因于一个介子场。

2.唯象地选择相互作用势，使其满足实验结果。

在下面的章节中我们将研究这两种方法（第一个方法在1.2节，第二个方法在1.3～1.7

节）。

1.2 核力的介子理论概念，费因曼（Fenman）图

核力的介子理论是在与量子电动力学相类比中建立的。众所周知，在量子电动力学中，电

磁场是与和它相联系的粒子（光子）一齐来研究的。场似由光子组成，光子就是此场的量子。场

的能量就等于量子的能量之和。光子在电磁辐射（例如光）的发射（吸收）过程中产生（湮没），电

荷是光子的源。由于两个电荷之间的相互作用，一个电荷发射出光子，而另一个电荷把它吸收。

这样的方法使有可能研究与具有固有辐射场的辐射体系的相互作用有关的新现象。例如，它解

释了电子和μ介子的反常磁矩（见5.2和5.5.5节）；氢原子精细结构中能级的兰姆移位及其

它许多精细效应。

量子电动力学的基本思想，即相互作用的量子本质，可以推广到包括核相互作用在内的其

它相互作用。这一思想首先由塔姆（I.Tamm）于1934年提出。塔姆的思想为核相互作用的这

种性质的交换本质提供了清晰的图象（见2.1.3节）。这可以从假定质子和中子在相互作用中

交换电荷来解释。同时，这导致其饱和性。看来假定交换机制在核相互作用的时刻包含着从一

个核子到另一个核子转移某种轻的粒子（可以是电子或中微子）是完全自然的。而后，塔姆又证

明，这些粒子不可能是核场的量子，因为它不能同时解释短程核力和高结合能。那时还不知道

其它轻的粒子。

塔姆的思想，后来由日本物理学家汤川秀树加以发展。他假设（1935年），起核的量子作用

的粒子是某种荷电的或中性的不稳定粒子，即那时还未被实验发现的介子，而且假设其具有

质量m≈（200～300）me。

汤川的论证可以形象地介绍如下。根据量子力学，存在测不准关系式

△E△t≈h （1.2.1）

据此，在△t时间内，一个孤立的系统可以改变的能量数值为△E（在△t的短时间内“违背能量守

恒定律”）假若△t很小，则△E可能很大，令△E＝mc2，我们可假设，可能由于能量△E＝h/△t

的原故而在核子之间核子的近旁生成一个虚介子，其质量m＝△E/c2＝h/c2△t，持续时间△t。

不象平常的粒子，它可以在空间和时间上自由地运动；虚粒子仅仅存在于一个短时间△t

内，在这一段时间里，它们应和核子分开一个不超过a的距离（a＝c△t）。经过△t后，这个虚粒

子再次被一个核子俘获，这样，可以假设，核子被虚介子去所包围，这些虚介子不断地生成和

湮没，这个介子云（介子包层）的半径a由下式给出：

a＝ch/△E＝h/mc （1.2.2）

虚介子不仅可以被它“自己”的核子吸收，也可被其它的核子吸收，若其碰巧处于后者的介

子云中。正是由于这种虚介子从一个核子向另一个核子的转移，才有了核相互作用。

让a等于核力作用范围，则很容易定量估计出核相互作用时间τnuc和虚介子的质量m，假

定此值为2×10－13cm（最新的估计此值为1.4×10－13cm），汤川得到

τmic＝△t＝a/c＝0.7×10－23S

△E≈h/△t≈100MeV，m≈200me （1.2.3）

这就是核量子或汤川介子怎样被预言的。

假若汤川介子确实存在，也只有在它们生成于自由状态而非虚粒子时才能被探测到。也就

是把它们从产生的地方分开到超过核力作用范围的距离。只有服从能量守恒定律，这样的过程

才是可能的。因此，介子产生，要求碰撞的核子具有巨大的动能，其中一部分动能转变成所产生

的介子的静止能量。

核量子的发现是一个有趣的和富于教益的发展过程。最早认为是核量子的μ介子（μ子）

于1938年在宇宙射线中测到，其质量m＝207me。但很快发现，μ介子不参与强核相互作用

（见5.5中μ介子的详细性质）。其后，在1947至1950年期间，π介子先在宇宙射线中，后在加

速器上被探测到。属于介子类的π介子（π＋、π和π0）是强相互作用粒子，它的重子荷B＝0，质

量mπ≈270me，同位旋T＝1，自旋S＝0，负的固有宇称P＝－1。

计算机

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