射线大家族

射线大家族

原子是由电子和原子核组成的；原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为“核子”。核子之间的相互作用力称为“核力”。核子就是凭借着强大的核力将质子和中子束缚在一个狭小的空间，这个空间近似为球形，直径仅有10^－15米。那么，粒子之间的相互作用是怎样实现的呢？为了回答这个问题，日本著名物理学家汤川秀树提出了一个重要理论。他认为，核子之间的相互作用是通过交换一种媒介粒子来实现的。汤川秀树指出，原子核体积非常小，这就意味着核子之间的相互作用距离是非常短的。他依据原子核的尺度，估算出这种媒介粒子的质量大约为电子质量的200倍。由于传递核力相互作用的中间媒介粒子质量比电子大，但又比质子的质量小，正好介于这两者之间。因此，人们把这种中间媒介粒子称为“介子”，这便是介子名称的由来。

发现正电子的美国科学家安德森和他的助手，在1934～1936年期间，正在从事宇宙线中带电粒子穿透本领方面的实验工作。研究中，他们观测到一种新的带电粒子，其中有的粒子带正电荷，有的带负电荷。这种新粒子的质量经测定，为电子质量的207倍，恰好介于电子与质子质量之间，与汤川秀树预言的粒子相符合。于是，人们认为这个新粒子就是传递核力相互作用的媒介粒子，起名为μ介子，并分为带正电的μ¹介子，带负电的μ^－介子。μ介子的发现引起了科学家们极大的兴趣，认为汤川秀树的理论预言与实验结果完全一致，从而证实了汤川秀树提出的核力理论是正确的。

然而，正当人们分享喜悦的时候，对μ介子进一步的研究发现，它与原子核的作用非常微弱，核力同其相比至少要强1013倍。然而，μ介子的穿透能力倒是非常强。这样的介子是无法胜任传递核力的重任的，因为传递核力的媒介粒子理应与原子核有着很强的相互作用。由此可见，弘介子并不是汤川秀树所预言的那种粒子。这位“天外来客”让人们大失所望。

正当人们深感困惑之际，致力于宇宙线研究工作的英国科学家鲍威尔和他的研究小组，改进了探测宇宙线中带电粒子的技术，利用一种新型的照相底片，捕捉带电粒子的径迹。1947年，他的研究小组把这种胶片送到高空进行探测，在大量记录的底片中，他们发现了一种与正电子和弘介子完全不同的新粒子。通过对胶片中粒子径迹的分析，可以推断这种粒子的质量比μ介子要大。经过精确测定，它的质量约为电子质量的27．3倍，这种新粒子叫做丌介子。它是人们在宇宙射线中，继正电子和弘介子之后，探测到的又一个新成员。丌介子共有三种：有的带正电荷，有的带负电荷，也有的不带电荷。

π介子与原子核之间表现出很强的相互作用，但它的穿透能力表现得很弱。μ介子的性质与μ介子刚好相反。根据丌介子的行为，人们确认它正是汤川秀树预言的媒介粒子。这正是原子核物理学发展史册上广为流传的“μ－π之争”的一段佳话。

从汤川秀树的核力理论，到μ介子和π介子的发现，标志着人类对物质世界的认识向前迈进了一大步，从认识原子核进入到基本粒子领域。汤川秀树这一研究成果具有划时代的意义，受到了人们高度评价，他也因此荣获了1949年度诺贝尔物理学奖，而鲍威尔也获得了1950年度诺贝尔物理学奖。

μ介子和丌介子都是宇宙线大家族中的重要成员，尽管它们之间存在着很大的差别，但也存在一定的“血缘”关系。这两种粒子都是不稳定的，存在时间非常短暂。μ介子的寿命是2．2×10^－6秒；π介子的寿命就更短了，仅有μ介子的1／100，并可以很快就衰变为其他的粒子。π^－介子衰变后，变为μ^－介子，同时释放出一个中性小粒子，叫做中微子。同样，π介子衰变后，变为μ介子，同时释放出一个中微子。μ粒子存在时间也非常短，它很快衰变为电子和中微子。它们的衰变过程分别是：μ－介子衰变为电子和中微子；μ介子衰变为正电子和中微子。

从这种衰变关系，我们不难看出，μ介子是比它重的丌介子的“后代”；而电子又可以由μ介子衰变产生。它们既相互独立存在，又存在着一定的内在联系，这为人们探索宇宙线的秘密提供了重要的信息。

从宇宙线的发现，到现在已经历了90多年了，经过科学家们长期的潜心研究和深入探索，如今人们已对宇宙线大家族的情况有了比较清楚的认识。宇宙线是由众多的原子核组成的，其中氢原子核（也就是质子）大约占90%，是宇宙线的主要组成部分；氦原子核（α粒子）占9%；其他的原子核，如锂原子核、碳原子核、氮原子核……总共只占1%左右。凡是地球上存在的各种元素的原子核，在宇宙线中都可以找到。

近些年来，对于宇宙线的研究又取得了重大进展，有了一些新的发现。元素序数大于92的一些原子核在地球上已消失了，但在宇宙线中仍能找到它们的踪迹。还有人预言，在宇宙线中，除了带电的原子核之外，从一些迹象推测，很可能还存在着稳定的、不带电的重粒子成分。这种推测是否正确，还有待于21世纪的科学家们深入的研究。

茫茫宇宙，浩瀚无垠，各种各样的宇宙线在这中间飞来飞去，川流不息。它们来无影，去无踪。正是这些粒子在宇宙中错综复杂的变化，构成了一幅幅绚丽多彩的画面，粒子间相互作用和相互转化的结果，其中蕴涵着丰富的内容，正期待着人类去认识、去探索。

那么，宇宙线这个庞大的家族，它们的“始祖”是谁，发源地在何方，究竟是怎样产生的……这一系列问题时至今日，依然是众说纷纭，仍是一个尚来解决的疑难问题。

由于宇宙线粒子带有电荷，在星际空间时强时弱的电磁场作用下，不断改变着前进的方向。这样就不能够按照它们飞来的方向去寻找发源地，这给问题的研究带来了困难。

目前，一种重要的、具有代表性的推测，认为宇宙线是星体大爆炸引发的。当一颗巨大的恒星，像太阳那样的星体，慢慢演化到晚期时，由于某种原因而发生猛烈的爆炸，释放出巨大的能量，伴随着各种性质的粒子产生，它们漫游在宇宙间，其中有一部分也自然会射向地球。这些“不速之客”的粒子便是宇宙线的“始祖”。