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宇宙线研究和μ子的发现是二十世纪实验物理学持

二十世纪初,科学家们用验电器做实验时发现,无论怎么屏蔽,总有残余电离粒子穿透现象。当时多数猜测这可能是大气层或地球环境放射性物质导致。为研究大气层和地球环境下的电离状况,科学家设法在距离地面不同高度上进行检测。

在法国,居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在作玻特和贝克作过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡,结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。但是小居里夫妇也没有想到这铍发出的中性射线就是还没被确定的中子。

湖水实验数据使密立根有个基本假想:辐射是高频γ光子(此前卢瑟福也有类似猜测),从宇宙深空各向同性进入大气层,可借鉴以往Χ射线研究经验,研究其吸收变化来确定其能量。密立根推测,吸收率只与光子的能量和其穿透的物质密度有关。由此他推出辐射强度随吸收系数和深度的指数变化关系:I=Ie-μx(I为表面吸收强度,μ为吸收常数。)

这个实验又转到英国,查德威克用铍发出来的射线射击氢,发现了高速的质子;射击氮原子,氮原子也被推动了,只是速度比质子小得多;射击氩,氩原子也被推动了,速度又小一些。这说明铍发出来的射线速度没有达到光速不应该是γ射线,而是具有一定质量的某种粒子。

对宇宙线的产生机制,密立根从原子形成过程的“质量亏损”推测:较轻原子的质量总是小于其组成组分的氢原子的总质量,说明在氢原子聚变成其它原子的过程中有质量亏损,有能量逃逸出来。根据质能关系式E=mc2和普朗克公式E=??,可推算出辐射光子的频率。密立根假定,这些辐射光子就是宇宙线的最初来源,从深空进入大气层,与空气相互作用而产生次级粒子。这一推测有三个依据:一是这种特别能量的光子跟深水湖中探测到的电离粒子有相同的吸收系数;二是探测到的宇宙线与太阳或恒星无关;三是原子蜕变产生的光子穿透力很弱,不能解释这些观测实验。

这时候,卢瑟福的学生盖革也在德国工作,他发明了计数器,利用电子学仪器,可以测量各种射线并计算粒子的数目或射线的强度。

可是,安德森进一步研究发现,这些正电荷粒子质量明显比质子小,其迹径与电子的相似,使用铅板做隔板发现其运动方向与电子相反,在解释上开始与密立根有分歧。他于1932年9月单独写文在《科学》上发表。不久,英国卡文迪许实验室的布莱克特(P. Blackett)和奥恰利尼(G. Occhialini)进一步证实了安德森的发现,并认为正电粒子很符合狄拉克的“成对产生”方案,即真空中高能光子产生正负电子对,并非从原子核蜕变而来。安德森倾向于布莱克特和奥恰利尼的解释,因为实验发现正电荷粒子与电子数目几乎总是一样的。

这是什么射线呢?玻特和贝克作了测试实验。他们加上电场和磁场试了试,发现射线在电场和磁场中不会偏转,说明射线不带电荷,不是β射线,也不是α粒子和质子。他们又用2厘米厚的铅板试了试,射线还是穿透过去了,强度只减弱13%。他们认为,这种射线是极强的γ射线。

二十世纪三十年代初,绝大多数物理学家相信基本粒子只有质子、电子和光子。对宇宙线的认识也经历一个过程,开始科学家普遍以为射线源是高频辐射光子,与其它物质相互作用后产生簇射粒子,探测到的带电粒子就是这些簇射粒子。直到有新的实验技术提供更直接和明晰的数据,才改变这种认识。其中,德国物理学家盖革(H.W.Geiger)、米勒(E.W.Müller)、博特和科尔赫斯特(W.Kolh?rster)的工作尤为关键。盖革于1908年发明了计数器,后经其学生米勒的改进灵敏度大为提高。博特将两个计数管连接构成符合计数,只当两个记数管同时产生电离时才会计数,从而大大增加计数的效率。博特和科尔赫斯特于1929年前后用新发明的盖革-米勒计数器直接研究宇宙线的特征,发现宇宙线包括有穿透性的带电粒子。从事后评价,也可以认为他们发现了新粒子——μ子。但当时并不清楚,仍存在来自地面环境的背景干扰等问题。但是几乎同一时期,意大利科学家罗西的实验也支持了他们的结论。罗西以其天才实验技能发明和改进了真空管符合环路作为触发机制,同时设计只允许竖直方向运动的带电粒子才能进入计数器真空管,从而极大地排除背景干扰。罗西加入博特的实验,他们在真空管上方插入不同厚度的铅板,发现有些带电粒子可穿越厚达一米以上的铅板,显示出很强的穿透力,其能量远高于密立根的估算值。

他们研究了卢瑟福作的实验,注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。玻特知道,α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光,但是,如果有β射线或γ射线射在硫化锌上,却不会发出闪光。因此,即使有放出β射线和γ射线的核反应发生,卢瑟福也观测不到。

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1930年德国有位物理学家玻特和他的学生贝克也在研究卢瑟福的实验,他们这么想:为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢?难道就不可能放出电子(也就是β射线)和γ射线吗?那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线,并且常常伴有γ射线,但是不放出质子。

密立根在数据不充分的条件下冒失地提出“原子建造”假说,以解释宇宙线的起源。该假说曾对宇宙线的研究和正电子、μ子的发现等起到一定的推动作用。对假说的判决是集体性的事业。只当在量子力学基础上建立起完善的解释模型,以及诸多实验技术的发明和改进,提供更直接和明晰的数据,新粒子的发现才最终确定,谬误的假说被有效反驳。?

那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢?查德威克根据实验结果算出来,它的质量与质子几乎一样大。

理论计算方面,1936年奥本海默和卡尔森(J. F. Carlson)成功地建立了簇射粒子的计算模型,对簇射粒子和高能穿透粒子做比较研究。他们得出的结论是,如果穿透粒子是电子,它们将在穿过20厘米厚铅板之前全部被吸收,不可能穿透45厘米的厚度,看来其行为既不像电子,也不像质子。在1936年发表于《物理评论》的论文中,奥本海默和卡尔森大胆猜测:“如果这些粒子不是电子,这将是物理学上未知的新粒子。”从理论上来讲,也可以认为奥本海默和卡尔森首次预言了新粒子的存在,因为他们首次在正式学术刊物中使用“新粒子”的概念。可是由于媒体的不当渲染,在公众的理解中出现戏剧性变化。1936年11月12日,当安德森刚获知因发现正电子而获得本年度诺贝尔物理学奖,决定在加州理工学院物理系举行一个小型报告会,介绍他最新的研究进展。与会的《科学服务》(Science Service)记者发布新闻称,安德森“在宇宙线中发现有未知粒子的证据,其与电子相像但跟电子不同。”“不敢冒昧猜测未知粒子是什么粒子,但他表明粒子具有与电子相同的电荷,虽然质量不同。”实际上安德森本人直到在诺贝尔奖颁发的演讲会上才谨慎地提出“这些具有高穿透力的粒子虽然不是正、负电子,将会为未来的研究提供有趣的材料”。

中子是人们过去还不知道的粒子,现在由铍原子核中打了出来,这说明原子核中有中子。这样一来,组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了,又多了一种中子。

密立根则一直不认可狄拉克的“成对产生”,坚信正负电荷粒子都是从原子核蜕变产生的。为进一步提供证据支持,密立根使用热气球携带验电器爬升到十六千米的高空,发现从九千米至十六千米电离率达到稳定的最大值,测量结果与理论预期符合非常好。按其“原子建造”假说,γ射线从很高的深空进入大气层,穿透到一定深度后与其它物质发生作用才产生次级粒子。此外,密立根与其学生还分赴各地观测不同地球纬度下电离率有无变化。因为存在地球磁场,若宇宙线是带电粒子,接近地球后受到地球磁场的影响,必然产生偏斜朝着南北两极走,造成高纬度地区检测到的辐射粒子更多,即所谓“纬度效应”。

盖革计数器是一个装有气体的圆筒,上面加有很高的电势,但是还没有高到能克服气体的电阻将它击穿的地步。如果有一个高能亚原子粒子进入圆筒,它将使其中气体的一个分子电离。新产生的这个离子以很高的能量向阴极运动,途中通过碰撞,再使另外一些原子电离;这些电离的原子本身又开始运动,再进一步电离其他原子。这就是说,圆筒内的气体发生了一次“雪崩”电离过程。由于这个过程,圆筒内的气体会通过一个瞬时电流,它可以被记录下来而发出一次咔嗒声。这种咔嗒声记录的就是粒子进入圆筒的事件,能为这些进入的粒子事件自动计数。

王延锋

云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是个圆盒子,盒子中的空气含有过饱和的水蒸气,当带电粒子穿过盒子里的空气时,沿途就会产生一串离子,而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠,形成一条白色的云雾,因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后,从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。

年轻时候的密立根(R. A. Millikan)

布拉克特使a粒子打进充有氮气的云雾室,然后拍照。他拍了两万三千张照片,结果只照到了八张人工核反应的照片。

初步掌握湖水实验数据之后,1925年11月9日,密立根在威斯康星州麦迪逊市国家科学院的会议上报告他的新发现,引起同行热烈反响。此时密立根由于测量电子电荷及光电效应实验而获1923年度诺贝尔物理学奖,是美国科学界令人尊敬的人物。同行们纷纷对他新实验的成功表示祝贺,并建议将观察到的射线命名为“密立根射线”以示纪念。密立根对此提议不置可否。随后《纽约时报》《科学》《时代》等媒体纷纷以“密立根射线”为题报道,认为这是密立根的“新发现”。这引起了赫斯的不满并向密立根提出异议。密立根对“密立根射线”的提法表示了歉意。在正式发表的论文他将射线形象地称为“宇宙线”(cosmic rays),这一提倡得到同行的认可,也平息了这场短暂的不快。

再有,原子核里有中子,那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢?

哈佛的斯特里特(J. C. Street)比较了不同的实验技术,指出研究宇宙射线的最好方法是计数器,而不是云雾室或电离室。为回应AMNP的反驳,斯特里特小组对云雾室进行改造,并使用计数器与云雾室相叠加的办法,按竖直方向从上至下分别是:计数器—铅板—计数器—云雾室—计数器。当云雾室拍到粒子迹径,同时三个计数器显示有粒子经过,这就确认它是同一个粒子,而且能穿过45厘米厚的铅板,证明其是高能穿透粒子。斯特里特通过这一巧妙设计,证明了射线源有带正电穿透粒子,而非光子与其它物质作用产生的簇射粒子。这一有力实验也促使安德森转变观点,不久宣布放弃原子建造假说。

贝克和玻特用计数器去进行研究。他们用钋作为α粒子的放射源,因为钋只放射α粒子,不放射β射线和γ射线,这就使实验简单多了。对着α粒子源安装了计数管,由于钋不发射β射线和γ射线,而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁,所以计数管没有计数。

密立根在一战前就关注这些报告,战后他被邀请到帕萨迪纳加州理工学院组建物理实验室,他立即确定宇宙线为重点研究方向。1921~22年冬春之季,密立根在德克萨斯的凯利场(Kelly Field)使用热气球携带验电器升空到15千米高的同温层检测,1922~23年又到惠特尼山和派克峰用验电器检测,但都不能得出确定的结果。1925年夏,密立根与其学生卡梅伦(G.H. Cameron)使用专门的验电器,到美国加州的缪尔湖和箭头(Arrowhead)湖做实验(均为雪水湖,可避免矿物辐射背景影响),测量辐射在湖面下不同深度的电离率(单位体积,单位时间内产生粒子的速率)。结果发现,湖面以上的射线穿透力是已知能量最高的γ射线的18倍。高湖水面下6英尺深处(相当于两座湖面高度差约7000英尺高的大气)与低湖水面表面的电离率相同。这使他们确信,射线不是来自地球环境或大气,而是外太空。

如果原子核里的中子偏多了,同质子不成比例了,中子在原子核里也会变成质子,同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去,立刻以极大的速度从原子核里射了出来,这就是β射线。

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直到1950年,人们用实验证明了,自由的中子不稳定,有放射性,每13分钟就有一半中子会转变成质子和电子。

更严重的挑战来自密立根的学生安德森(C. Anderson)。安德森在加州理工学院做研究生期间用云雾室研究X射线的空间分布,完成博士学位论文后,密立根建议他用云雾室技术研究宇宙线的能量。安德森建造了当时最强大的磁场,将云雾室置入其中。1931年11月,他向密立根报告宇宙线被原子核蜕变时,同时产生了电子和带正电荷的粒子。他猜测正电荷粒子要么是α粒子,要么是质子,并注意到正电荷粒子与电子几乎是同时从原子核里发射出来。1932年,安德森与密立根联合写文发表,认为正电荷粒子是原子核蜕变的结果,判定其为质子。他们开始形成一套关于原子核结构的非量子力学理论:电子与质子束缚在一起,在高能光子作用下偶尔会释放出来。

这是1925年的事情。在照片上,象扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹,其中有一条中途停止了(说明α粒子打到氮核里去了),然后又分为两个叉,一条细而长的是质子的径迹,另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。

哲学园鸣谢

玻特想,α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去,为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢?可能打进去以后放出来的不是质子,而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子?如果真是这样,用什么方法才能观测到它们呢?

五、实验技术的谨慎判决

中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言,他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年,德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理,指出原子核里不可能有电子;他认为原子核是由质子和中子组成的。

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