0号元素，干货看这篇!基本粒子12｜β衰变能量丢失之谜，中微子是如何被发现的？

现在伸出手掌，每秒有数十亿个中微子穿过手掌，但你完全感受不到它们的存在。因为它不像幽灵一样与手掌进行任何形式的交互。(大卫亚设)。

你的手掌在中微子的面前完全就是透明的，不光是你的手掌，整个地球对中微子来说，也是透明的，中微子可以毫不费力地穿过地球，不会受到任何影响。

据说是，你想要挡住一个中微子，至少需要3光年的铅块，所以问题来了，中微子和其他物质的作用力这么弱，我们是如何发现它的？那最关键的问题是，我们在没有发现中微子的时候，是如何知道世界上有这么个东西？

其实知道中微子的存在并不难，而且是一件非常自然的事情，你看，是这样的，1896年的时候人类就发现了元素的放射性，很快卢瑟福就发现，放射性有两种，一种是α粒子，一种是β粒子。

没过多久，人们就确认了β粒子就是电子，到了1912年的时候，化学家索迪就提出了一个元素的位移定律说的是，一个放射性元素在释放出一个β粒子以后，就会从元素周期表中向后移一个位置。

到了1913年的时候，物理学家莫斯莱就测量了核电荷数，才解释了索迪的位移定律，其实就是原子核放出了一个电子以后，多了一个正电荷，所以就变成了相邻的下一个元素。以上的所有内容在我之前的视频中都讲过了。

下面我举个粒子，比如说氚，这是氢的一个同位素，现在我们知道，他的原子核里面有一个质子和两个中子，当一个中子经历β衰变以后，就会射出一个电子变成一个质子，然后原子核就会变成了两个质子和一个中子，这其实就是氦3原子核。

虽然当时人们还没有发现中子，但是已经可以简单地理解β衰变的过程了，就是原子核释放一个电子，多了一个正电荷，然后变成了其他元素。

但是人们就发现了问题，在β衰变的过程中，释放出来的电子的能量，也就是他所携带的动能，不是确定的，而是一个连续的能量谱，有一个最小值和最大值。

这一点就非常的奇怪，就拿上面的氚到氦3的衰变来说，氚释放出来的电子的动能最小值是0，最大值是18.6Kev，没有超过这个最大值的电子，不过大多数的电子的动能处在2~4Kev这个区间。

这个现象的奇怪点在于，每次释放出来的电子的能量不一样，但是我们又知道氚的原子核和氦3的原子核的基态能量是确定，所以从氚到氦3的转变应该会释放出一个动能确定的电子。

但是实验测量出来的电子的能量却是连续的，这在当时把所有人都难住了，按照一贯的操作，当时物理学家解决这个问题办法就是否定能量守恒定律。这就是当时玻尔的想法。

有一件事就特别奇怪，前文我们也说了，居里夫妇在研究铍射线的时候，当时也怀疑了能量守恒定律，这让他俩错失了中子的发现，现在玻尔也在怀疑能量守恒定律，这又错失了一个新粒子的发现，貌似物理学都不喜欢假设有新的东西，总是喜欢怀疑已有理论是错的，这一点比较奇怪。

好，我们接着说氚到氦3的β衰变，在这个过程中电子动能的最大值是18.6Kev，但是大部分情况下，电子的动能都要小于这个值，那问题是还有一部分能量去了哪里？这就是β衰变中能量丢失的困难。

其实不光是能量丢失了，粒子的角动量也丢失了，你看，这中子的自旋是1/2，现在它变成了一个质子和电子，这两个自旋也是1/2，结果总自旋不是0就是1，不可能是1/2，所以角动量也不守恒了。

从角动量这点可以看出，在β衰变的过程中应该还产生了一个自旋为1/2的粒子，由于它对电磁作用没有反应，所以可以断定它是一个中性粒子，从电子的能量谱可以看出它的质量极其微小，甚至质量是0，这就是1931年泡利对中微子的预言。

所以β衰变的过程就变成了这样的，一个中子发生β衰变以后，会变成了一个质子、一个电子和一个反电子中微子。

这里我想问大家一个问题，为什么在上述的反应中，生成的是一个反电子中微子。大家先思考一下，后面我会加以说明。

好，那既然泡利预言了中微子，那我们就需要找到这个粒子，可是中微子是出了名的难以探测，它的穿透能力太强力，所以直到25年以后，也就是1956年我们才捕捉到了中微子。

要想了解探测中微子的原理，我们还需要把β衰变的过程再详细地说一遍，刚才我们说了，一个中子会衰变成一个质子、电子和反电子中微子。

在这个反应中，我们可以看出有三个守恒的量子数，首先是重子数守恒，一个中子变成了质子，重子数不增不减。

还有电荷守恒，一个中子变成了质子，虽然质子带了正电，但是它又释放了一个带负电的电子，所以电荷不增不减。

最后是轻子数守恒，由于它释放出了一个电子为了保证电荷守恒，但是却无缘无故地创造出了一个轻子，也就是电子，它的轻子数是1，所以为了抵消这个轻子数，就必要还要生成一个粒子，就是反电子中微子，它的轻子数是-1，所以就保证了反应的过程中轻子数也是守恒的。这就是为啥要生成反电子中微子了。

大自然就是这么奇妙，真的是不可思议，当然除了这些守恒量以外，在反应中能量、动量、角动量肯定也是守恒的。

不光是β衰变，在以后遇到的所有的衰变过程，都要遵守最基本的守恒规律，其实也可以这么说，只要是遵守守恒规律的反应，都可以发生。

你看，刚才我们说了，中子可以变成质子、电子和反电子中微子，那你说一个反电子中微子加上质子，能不能变成中子和正电子，这个反应可以发生吗？

思考一下，肯定可以 ，对吧！因为它没有违法任何守恒量，可以看出，其实我们只是把中子到质子、电子和反电子中微子这个反应中的电子挪到了反应的前面，和中子待在一块。但是把电子挪过去的时候，就要把它变成相应的反粒子，也就是变成正电子，这就是交叉变换原则。

这里我们了解下就行了，听懂没听懂都不要紧，我们只需要记住一点，质子加反电子中微子，可以变成中子和正电子，这个反应。因为这个反应正是我们探测中微子存在的原理。

在1956年的时候，物理学家莱因斯和柯温，他俩就使用了200升水作为探测器，因为水里有大量的质子，并且在探测器的两边分别装了370加仑的液体闪烁探测器，用来捕捉反应后生成的γ光子。

他俩就把这个装置埋在核电站附近很深的地下，如果真的有反电子中微子，那么它就有可能撞上水里的质子，然后变成中子和正电子。

正电子在水里经过减速以后会与一个电子发生湮灭，然后会朝相反的方向释放出两个伽马光子，这两个伽马光子的能量都是0.51M电子伏特，伽马光子分别进入两边的两个液体探测器，我们就能知道，在水里生成了正电子，并发生了湮灭，就可以确认是质子和反电子中微子发生了反应，也就确认了中微子的存在。

在这个反应中还生成了一个中子，这个中子随后会被掺在水里的镉原子核吸收，镉原子核在吸收了这个中子以后会处在激发态，然后它就会释放出伽马光子落回到基态。

两边的液体闪烁探测器同样可以检测到生成的这些伽马光子，就更加确认了是质子和反电子中微子发生了反应。

那实验结果是肯定的，中微子确实存在，但不知道为啥他俩的诺奖一直到了1995年才颁发，这个时候柯温都已经去世了，钱不钱的都不是很重要，主要是人家在世的时候没有享受到诺奖的荣誉，这就有点可惜。

最后我们说下，为啥不直接叫中微子，而是要叫它电子中微子，因为中微子也有味道属性，它分为了三种，其他的两种我们在后面就说到。

由于电子中微子在反应中总是和电子相关联，它就好像是电子的小弟一样，所以就叫他电子中微子。或者你可以认为它是电子味道的。

好，现在我们已经知道了两个轻子粒子，就是电子和电子中微子，他俩被称为第一代轻子，后面我们还会说到第二代、第三代轻子。

那今天的内容就到这里，下节课我们说中微子质量的问题。