問題詳情

題組五 請耐心地閱讀下列文章，並回答 26-29 題[ 節錄自 中央研究院週報 第 1420 期 物理研究所李湘楠研究員 ]陰極射線管中發現的電子，著名的拉塞福實驗中證實的質子，加上後來找到的中子，取代原子的地位，成為二十世紀初的三個基本粒子。二十世紀中葉，先進的粒子偵測器讓科學家從宇宙射線中搜尋到許多基本粒子，陸續發現了 π 介子、K 介子、重子⋯以及反物質，如反質子、反中子⋯(以上統稱為強子)。當強子的數目達到上百個時，科學家不禁懷疑為何基本粒子又變得如此之多，他們真得都是「基本」粒子嗎？60 年代末，史丹佛線性加速中心進行深度非彈性散射的實驗，發現質子內部的確有結構，確認更基本的「夸克」粒子的存在。根據夸克模型，只需三個夸克，即上夸克、下夸克和奇夸克，便可組合出當時已知的所有強子。隨著加速器能量的增加，較重的夸克一個接著一個被發現，如 1974 年的魅夸克，1977 年的底夸克，最近的是 1996 年以美國費米實驗室高達 2 兆電子伏特的加速器產生的頂夸克，本院物理所的實驗團隊也參與了發現頂夸克的研究計畫。頂夸克的質量約為上夸克的 3 萬 5千倍，所以需要很高的能量才能碰撞出來。夸克、輕子(如電子、微中子)、規範玻色子以及他們的反物質形成粒子物理世界的標準模型。規範玻色子的功能是傳遞自然界中的基本作用力：光子傳遞電磁交互作用，推動電子產生電流或震動電子產生光熱，電燈、微波爐、電磁爐等日常電器都來自電磁力的應用；膠子傳遞強交互作用，使夸克結合成質子、中子，亦即產生日常所見的物質；W、Z 玻色子傳遞弱交互作用，發生在夸克及輕子之間的弱作用可產生能源，如核融合的過程是太陽發光發熱的機制，核能電廠反應爐內進行的則是核分裂過程，可以說傳遞作用力的規範玻色子造成我們充滿「活力」的世界。1964 年三組物理學家幾乎同時發表論文(Guralnik、Hagen、Kibble 合著一篇，Brout、Englert 合著一篇，Higgs 獨自發表)，提出希格斯粒子透過今日所稱的希格斯機制，賦予各個基本粒子不同的質量。如何了解希格斯機制？如圖所示，新聞中常見到一個畫面，某極富話題性的人物出現，媒體記者蜂擁而上，將他團團包圍，或遞出麥克風，或七嘴八舌提問，讓該人物舉步維艱，甚至動彈不得，而旁邊不相干的人們則是一派輕鬆的經過。從旁觀者的角度來看，那話題人物的體重似乎是正常人的數倍，所以行動遲緩。其實他並不比一般人重，只因為他的話題性或新聞性比較高，亦即他和媒體的互動比較強，因此常被媒體阻擋，以致他的體重顯得超過於一般人。若將希格斯機制和這個常見的畫面類比，無處不在的希格斯粒子就是媒體記者，夸克和希格斯粒子的交互作用便等同於某人的話題性，所以上夸克不具話題性，可像路人般自由行動，頂夸克則像話題人物，總是被希格斯粒子包圍，以致運動緩慢，質量顯得特別大；亦即基本粒子因為和希格斯粒子的不同交互作用，而顯出不同的質量。粒子有質量後才不會以光速前進，有機會凝聚形成宇宙塵埃，再因重力吸引聚集形成太陽、星星以及千千萬萬個銀河系，也造就地球上的生命，所以希格斯粒子稱為「上帝粒子」。基本粒子之間的交互作用決定了浩瀚宇宙的形成與演化，這呼應了威廉‧布萊克的著名詩句「一沙見世界，一花窺天堂」，瞭解極小尺度的物理定律就能瞭解整個宇宙的運行，基礎研究的過程中其實經常發現哲理的實踐。2010 年美國物理學會將理論粒子物理領域的最高榮譽 Sakurai 獎頒給提出希格斯機制的六位物理學家。  欲驗證希格斯機制，便必須找到希格斯粒子。為了搜尋希格斯粒子及其他可能存在的新粒子，來自 34 個國家的兩千多位科學家通力合作，耗資數千億台幣，費時 13 年，在日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN)，跨瑞、法兩國邊境深約一百公尺的地底下，建造了周長 27 公里的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，簡稱 LHC)，目前正以 8 兆電子伏特的高能量進行質子和質子的碰撞。LHC 自2008 年 9 月 10 日成功試俥以來，可說是佔據最多新聞版面的科學實驗，連湯姆漢克斯主演的電影「天使與魔鬼」的故事都始於 LHC。2012 年 7 月 4 日即希格斯機制提出約半世紀後，CERN 公布了發現上帝粒子的初步證據，公布的時刻，CERN 與正在澳洲墨爾本召開的高能物理國際研討會現場連線，CERN 的主任 Rolf-Dieter Heuer 教授高聲問：「我們找到這顆粒子了嗎？」，全場回答：「是的！」眾多物理學家同步分享了這令人激動的一刻。[!--empirenews.page--]
1909 年，拉塞福由a粒子撞擊金箔，研究!粒子散射後的偏向情況，此散射實驗無法得知下列何種性質？
(A)原子核的存在
(B)原子核具有原子絕大部份的質量
(C)原子核的大小
(D)原子核的電性與電量
(E)電子繞行原子核的軌跡

參考答案

答案：E
難度：適中0.5
統計：A(1),B(0),C(0),D(0),E(1)

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