物理高手进

2025-04-05 16:27:10

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回答1：

电子的质量是零
【β衰变】放射性原子核放射电子（β粒子）和中微子而转变为另一种核的过程。放出正电子的称为“正β衰变”，放射负电子的称为“负β衰变”。在正β衰变中，核内的一个质子转变成电子，在负β衰变中，核内的一个中子转变为质子。因为β粒子就是电子，而电子的质量比起核的质量来要小很多，所以一个原子核放出一个β粒子后，它的质量数不变。电子的质量数是零，电荷数是-1。可以用

可用方程表示为

由此可见，β衰变的规律是：新核的质量数不变，电荷数增加1，新核在元素周期表中的位置要向后移一位。β衰变中放出的电子能量是连续分布的，但对每一种衰变方式有一个最大的限度，可达几兆电子伏特以上。此外电子俘获也是β衰变的一种。

β衰变的能量失窃案

β衰变是指原子核自发地放射出β粒子（电子或正电子）或俘获一个轨道电子而发生的转变。在研究β衰变的初期，人们在实验上遇到一个难以理解的事实，那就是电子所带走的能量，总比原子核放出的能量要少得多，而且这个能量值每次都不相等。换句话说，原子核所释放的能量有一部分“失窃”了。

是不是实验出了什么差错？起初，不少物理学家怀疑实验做得不够精确。但是一次又一次地重做实验，使他们相信，确有一部分能量“失窃”了。

那么如何来解释这个实验结果？物理学家们提出了种种假说，都无法解释这一怪事，顿时成了一桩颇有影响的“窃能”案。

权威们的失误

围绕着这一桩“窃能”案，物理学家们展开了一场激烈的争论和“破案”工作。

有些大胆的物理学家甚至是物理学权威对β衰变中能量是否仍然守恒提出了疑问。如著名的丹麦物理学家玻尔认为，能量守恒定律只是在许多次衰变过程中在平均的意义上才有效，而并非在每一次衰变中都能成立。又如量子力学创始人之一的奥地利物理学家薛定谔也对这种能量守恒只是一条统计定律的说法，表示十分赞赏。

在此之前，德国物理学家索末菲在他那本著名的《原子结构和光谱线》一书中，也曾考虑放弃能量守恒定律的严格确实性。他说：“因此，对于必须应用的波动理论的最温和的修正，是不能承认能量定理对于单个辐射现象是适用的，并且承认它仅仅在很多过程取平均时才是适用的。”

物理学权威们对能量守恒定律表示了怀疑：能量守恒定律在β衰变中被破坏和不适用了。这种看法引起了物理学界思想的极大混乱，要是这个定律真的被推翻了，整个物理学的宏伟大厦和精巧建筑就会毁于一旦。这简直是无法思议的。

这种怀疑和看法，后来被实验证明是错误的。那么，这些物理学权威们为什么要去怀疑能量守恒定律，提出能量守恒定律不适用的看法呢？产生这种情况是有其原因的。

早在爱因斯坦提出光量子概念，即把光看作是由一份份独立的能量子——光量子组成的这一崭新概念时，就没有得到有关物理学权威的承认。他们认为光量子说很难被接受，因为它与传统的波动说是那样格格不入，且无法解释光的干涉等波动所特有的效应。

在他们看来，光量子说虽有某些特定的实验根据，实际上不过是早已被推翻了的微粒说在新形式下的复活；而波动说虽然在个别实验的解释上遇到困难，但支持它的实验事实却比支持光量子说的多得多，新观点怎么能与经过千锤百炼、近乎炉火纯青的旧理论相匹敌呢？但是，作为光量子说重要实验根据的光电效应又该怎样用传统的波动说来解释呢？为了“拯救”物理学，这些权威们作了一个异乎大胆的然而又是十分错误的选择，那就是不坚持能量和动量守恒的普遍适用性。因为这样就提供了用传统的波动说“解释光电效应唯一的可能性”，可是他们的这个选择最后是失败了。

基于不承认光量子说这样一个保守的原因，他们为着保持辐射的经典的波动理论，于是对β衰变中能量守恒问题再次提出了疑问。有的权威声称：“在原子理论的现阶段，我们可以说，无论是从经验上还是从理论上都没有理由坚持在β衰变中能量一定守恒。原子的稳定性迫使我们放弃的也许正是能量平衡的观念。”其结果是在β衰变能量“失窃”案的侦破中，同样导致了失败。

科学的预言

就在这样一个紧要关头，有一位年轻的物理学家泡利却非同凡响，提出了自己的崭新见解。他预言：能量守恒定律是有效的；在β衰变过程中放出了一个难以探测到的中性粒子，而这中性粒子在不知不觉中带走了原子核释放的能量。

1930年12月，泡利向在杜宾根参加放射性工作会议的人们写了自己那封著名的信：《致从事放射性工作的女士们和先生们》。就在这封信中，泡利叙述了他所预言的中性粒子，并给此新粒子取名为“中子”。有了这个预言中的新粒子，β衰变中能量守恒的困难就可迎刃而解，这个“窃能”案也就可以破案。

泡利的这个预言太新奇了，立即引起了当时在哥本哈根工作的意大利物理学家费密的注意和欣赏。他运用泡利的观点，成功地解释了原子核的β衰变，提出了一种新的自然力——弱相互作用理论。费密还给那个“窃能贼”取了一个十分风趣的名字，叫“中微子”，意思是“微小的中性小家伙”。

尽管泡利的这个预言简单明确，但当时大多数物理学家对此却持怀疑的态度。物理学家们真是感到左右为难，放弃基本的能量守恒定律吧，他们忧心忡忡；承认中微子吧，实验物理学家不论怎样努力寻找，却又始终未能找到这种新粒子。

这一时期物理学家把实验中出现的矛盾，归之于基本物理定律在原子核中不适用，如对能量守恒定律表示怀疑，而不是去怀疑原子核的内部组成，产生这种错误的认识也是有一定原因的。

首先，当时人们所认识的“基本粒子”寥寥无几，除去光子，能够组成物质的算来只有质子、电子，不要说α粒子，连卢瑟福认为的中子也只是质子、电子的复合体，实际上是特殊的原子核，如何设想在认识非常有限的“基本粒子”的基础上能提出新的原子核的组成理论呢？

其次，时代的局限性，限制了人们提出新粒子的可能性。尽管在理论和实验上都显示出新粒子被发现的曙光，但正如狄拉克所说：“在那些日子里，情况就是这样，人们非常不愿意提出一个新粒子。”也就是说，在那时提出一个新粒子的科学预言需要巨大的勇气所和胆识。正是有了这种勇气和胆识，才使泡利在纠正所谓能量守恒定律不适用的错误中作出了不懈努力和杰出贡献。

捕捉中微子

中微子的科学预言在理论上是令人满意的，它完全说明了在β衰变过程中“失踪”的能量去向何方，圆满地解决了一些矛盾。然而，预言再好，在人们没有捕获中微子之前，仅仅只能作为一种假说，至多是令人较为信服的假说。

要证实假说，就得通过实验去捕捉中微子。由于中微子不带电，作用极为微弱，捕捉它就显得十分艰难。中微子是以光速运动的，但它并不是光子。光子非常容易同物质粒子作用，当它们通过物质时很容易被吸收掉。而通过β衰变放射出来的中微子却不会被物质吸收。它要穿过大约1000亿个地球才会与其内的一个原子核碰撞一次！多么神秘的穿透力！即使做成像地球那么大的探测器，当有1000亿个中微子通过时，大约只能探测到1个。中微子的主要奥秘就在于此。

尽管捕捉中微子是如此之难，不少实验物理学家仍然千方百计设法去寻

K壳层电子释放中微子时所产生的反冲探测中微子。在这类过程中，所产生

己的设想写成《探测中微子的建议》一文发表于1942年1月出版的美国《物理评论》杂志上。

电子俘获实验，证明了丢失的能量和动量正好符合中微子的要求，这是显示中微子存在的第一个实验。王淦昌的设想和阿伦的实验，被认为是1942年世界物理学的重要成就之一。

当然更为直接的实验是对已被放射出来而脱离源的中微子进行探测。这个实验直到1956年由美国洛斯阿拉莫斯实验室的柯温和莱因斯完成。他们用了200升水和370加仑液体闪烁体做成探测器，埋在美国一个核反应堆附近很深的地下，来探测核反应堆放射出来的极强的中微子束（实际上是反中微子束）。经过相当长的时间，才成功地探测到了为数不多的中微子。

柯温和莱因斯的实验是这样设计的（见下右图）：当反中

由此放出的正电子经过减速后与电子湮没，转化成两个γ光子。这些光子同时射入两边的两个液体闪烁体，产生一个符合信号。所谓符合信号是两个闪烁体同时记录到γ光子而产生的信号。这个信号的出现就表明在水中发生了e+e-的湮没过程。

值得注意的是，上述过程还产生了一个中子（n），它将经过很多次碰撞，约过数微秒后，被掺在水中的一个镉（Cd）原子核吸收，同时产生若干个γ光子

这些γ光子再进入闪烁体，又产生一个延迟符合信号。这个信号的出现进一步证明在水中确实发生了上述过程。柯温和莱因斯就是用这种实验方法

这样，20多年的“窃能”案终于被彻底侦破，中微子也就归了案。后来随着人们对弱相互作用的理解加深，对中微子的认识也更清楚了。现在已知道，太阳及遥远的星体内部发生核反应时都会产生中微子，中微子一经产生便向四面八方飞出，到处都有。特别在建造了核反应堆这个强大的中微子源后，虽然中微子只有1/1020的捕获率，但依靠现代物理仪器也足以能探测到它的存在，并把它捉拿“归案”。

回答2：

这个不能单独看一个质子和一个中子的变化，原子核中有很多的质子和中子，它们之间的相互作用也很重要

这个问题可以这样看，那就是硅30的原子核比磷30的原子核要轻，这个质量的减轻正好对应放出一个正电子的所需要的能量

回答3：

会不会是核反应产生的大量的能量转化成了质量来弥补质子的质量不足?

是的。

核能（质子和中子之间的强作用力的能量）减少了，一部分转化成质量，一部分转化成正电子的动能和其他能量，因此能量依然守恒.

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