谈谈历史上因研究微观粒子而获诺贝尔奖的物理学家 xueyunting
一、诺贝尔奖及诺贝尔物理学奖简介
诺贝尔奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔的部分遗产作为基金创立的。诺贝尔奖包括金质奖章、证书和奖金支票。在遗嘱中他提出，将部分遗产（920万美元）作为基金，以其利息分设物理、化学、生理或医学、文学及和平奖５个奖项，授予世界各国在这些领域对人类作出重大贡献的学者。
1896年12月10日，诺贝尔在意大利逝世。逝世的前一年，他留下了遗嘱，设立诺贝尔奖。据此，1900年6月瑞典政府批准设置了诺贝尔基金会，并于次年诺贝尔逝世5周年纪念日，即1901年12月10日首次颁发诺贝尔奖。自此以后，除因战时中断外，每年的这一天分别在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆举行隆重授奖仪式。根据诺贝尔遗嘱，在评选的整个过程中，获奖人不受任何国籍、民族、意识形态和宗教的影响，评选的唯一标准是成就的大小。
诺贝尔物理学奖作为诺贝尔奖项之一，旨在奖励那些在人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。由瑞典皇家科学院颁发奖金，每年的奖项候选人由瑞典皇家自然科学院的瑞典或外国院士、诺贝尔物理和化学委员会的委员、曾被授与诺贝尔物理或化学奖金的科学家、 在乌普萨拉、隆德、奥斯陆、哥本哈根、赫尔辛基大学、卡罗琳医学院和皇家技术学院永久或临时任职的物理和化学教授等科学家推荐。
二、探索微观世界中的辉煌 2.1历史概述
对微观世界的研究促进了原子核物理学和粒子物理学的发展。原子核物理学起源于放射性的研究，是1896年发现放射性之后兴起的崭新课题。从1896年发现放射性到1932年，可以说是核物理学的前期。在这30多年中，新发现层出不穷，大大丰富了微观世界的知识宝库，但基本上还处于经验时期。1932年中子、正电子和氘的发现，可以说是核物理学真正诞生的标志。1933年以后，原子核理论才逐渐形成，各种核模型提了出来，大量实验为“基本粒子”的性质提供依据。
与此同时，高能粒子的研究发展成为粒子物理学。粒子物理学专门研究基本粒子的性质、运动、相互
[1]作用、相互转化规律以及这些粒子内部结构。
2.2走在辉煌的微观科学大道中的人们
1）JJ汤姆孙发现电子。 第一个被发现的基本粒子是电子。它是在1897年，由英国剑桥大学卡文迪许实验室教授J.J汤姆森（Joseph JohnThomson,1856-1940）通过研究气体放电现象发现的。
[2]汤姆森也因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
从1890年，汤姆森就带领自己的学生研究阴极射线。前人克鲁克斯的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用
[1]实验进行周密考察。为此他进行了以下几方面的实验：
1. 直接测阴极射线携带的电荷。实验装置如图(1)。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。
2. 使阴极射线受静电偏转。他重复了赫兹的静电场偏转实验，并经过改进，如减小两级间电压和提高真空度，获得了稳定的静电
图（1） 汤姆森测阴极射线所带电荷
的实验装置图
场偏转，有力地驳斥了“以太说”。
3. 用不同的方法测阴极射线的荷质比。一种用如图（2）所示的部分实验装置，在管子的两侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场，然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比e/m与微粒运动的速度。
4. 证明电子存在的普遍性。他用不同的阴极和不同的气
图（2） 汤姆森静电偏移管
体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明了各种条件下
得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。
2）中子的发现。自从卢瑟福提出中子假说以后，查德威克和卢瑟福不止一次地长时间地探索过中子，由于“进行这种工作既严重缺少设备，又毫无点滴经验”，1932年以前未或成功。正当发现中子所必须的设备在卡文迪许准备就绪时，传来了约里奥-居里夫妇的实验观察结果和他们的解释。卢瑟福得知后说：“我不相信”。查德威克也说：“我有充分理由可以肯定：不能把他们的观察结果说成是康普顿效应”。于是他进行了如下内容的实验[2]：
接真空泵 1. 考察反冲现象的普遍性。令
“铍射线”分别轰击锂、硼、碳和氧、氮、氩等气体，都发现高速反冲核。
2.检验碰撞的能量关系。用吸收法测得的反冲质子能量是5.7Mev左放大器 示波器 右，如“铍射线”是γ射线，根据能量守恒律，可推算出其光子能量至少
为50Mev。用同样“铍射线”轰击氮，PO源 Be
图（3） 查德威克实验装置 可推算出氮核的最大反冲能应为
0.45Mev，而实际测得的氮核反冲能却
有1.2Mev。可见假定“铍射线”是γ射线，能量守恒定律得不到满足。
3.用云室测中子质量。设“铍射线”(中子)的质量为M，速度为v ,从云室测出同样“铍射线”轰击后反冲氮核速度VN和反冲质子速度VP，即可由二球完全弹性碰撞后的速度公式推算出中子质量。推出中子质量与质子质量几乎相等。
查德威克还进一步根据质谱仪测得的数据推算出了中子的精确质量是1.0067（原子质量单位），并对中子的性质进行了详尽的分析，以确凿的事实证明了中子的存在。
[2]于是在1935年，他获得了诺贝尔物理学奖。
3）安德逊发现正电子。CD安德逊（Carl David Anderson,1905-1991）是美国加州理工学院物理教授密立根的学生，从1930年开始跟随密立根做宇宙射线的研究工作[1]。
对于正电子理论预言在1932年之前就有了，但在实验上还未发现。当时科学界与现在科学界追求发现新粒子的风气不同，不轻易承认新粒子的存在。那时带正电的粒子只有质子，所以有人认为狄拉克方程中所出现的带正电的粒子很可能就是质子，不然为什么在实验上没有发现呢？这个想法包括狄拉克本人也曾有过。但在1932年狄拉克的预言就被实验证实了，那是安德逊在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时发现的。当时，他正同图（4）安德逊在云室照密立根（基本电荷的测定者）一起研究宇宙线是电磁辐射还是粒子的问题。片中观察到的径迹那时大多数人同意康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子，密立根对此
很不满意。安德森于是想弄清楚进入云室的宇宙射线在强磁场作用下会不会转弯。他在云室中拍摄了一张照片，这张照片使他一夜没合眼。他发现，宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的
方向却“错”了。这就是说，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的反电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在。从此以后，正电子便正式列入了基本粒子的行列。这是第一次有人用实验证实了自然界确实有反粒子存在。于是在1936年他与赫斯同享诺贝尔物理学奖。
4）J/ψ粒子的发现。提到这种粒子的发现，我们会倍感自豪，因为有位华人的名字与其紧密联系，他就是丁肇中。1974年丁肇中在发现这种粒子时，把它叫作J粒子。但为何又以J/ψ粒子命名呢？是因为在丁肇中发现该粒子时，美国人里希特也发现了该粒子，并取名为ψ粒子。由于当时的信息不是那么发达，以致于两人对对方的实验研究都毫不知情。后来，人们就称其为J/ψ粒子。
20世纪70年代，对强子结构的认识有了新发展，在研究强子的弱相互作用使，发现把温伯格和萨拉姆的理论推广到包含强子时遇到了困难。为此格拉肖、伊利奥普洛斯等人于1970年提出有第四种夸克存在的假设。第四种夸克取名为粲夸克（C、C），带有粲数C
[1]。
1974年丁肇中的实验小组在布洛克海文国立实验室的30GeV质子加速器和里希特的实验小组在斯坦福高能物理实验室的SLAC正负对撞机上分别独立发现了一个大质量、长寿命的新的窄共振态介子，即后来被人们称为J/ψ的粒子。
J/ψ粒子具有奇特的性质，其寿命值比预料值大5000倍；这表明它有新的内部结构，不能用当时已知的3种味的夸克来解释，而需要引进第四种夸克即粲夸克来解释。J/ψ粒子的发现大大推动了粒子物理学的发展。为此丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理奖。
当然在对微观粒子进行研究的历程中，还有许多其他的物理学家作出了伟大的贡献，他们也因此获得了诺贝尔物理学奖。
[3]如：英国人鲍威尔在1947年使用自创的照相乳胶记录法，从宇宙射线中发现π介子，并于1950
年获奖。
意大利裔美国人塞格雷与美国人张伯伦合作, 于1955年用高能质子同步稳相加速器, 发现了质子的反粒子——反质子, 获1959年诺贝尔物理学奖。
卡洛·鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W和Z粒子的实验成为可能，获1984年奖。
莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现μ子型中微子，从而证明了轻子的对偶结构，获1988年奖。
1990年诺贝尔物理学奖：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在
1995年诺贝尔物理学奖：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子等。
三、总结
以上介绍了一些研究微观粒子而获诺贝尔奖的物理学家。通过对他们探究过程的了解，我们会发现他们在科学的研究中, 注重吸收过去的优秀传统, 勇于接受新事物, 勇于研究新间题, 从分析和揭露矛盾入手, 通过细致的实验和理论的推导, 最终达到主观认识和客观情况的一致。而这种孜孜以求的精神是值得我们每个人学习的。尽管我们或许无法进入研究领域，但我们在学习和生活中应该保持着这份执着.