宇宙射線及正電子的發(fā)現(xiàn)、研究簡史

孫龍周

(浦口區(qū)第三中學(xué),江蘇 南京 211800)

1 引言

在現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史中,宇宙射線的研究占有一定的地位,許多新的粒子都是首先在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的．例如,用云室從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子和μ介子,用原子核乳膠從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了π介子．在高能加速器尚未出現(xiàn)以前,人們只有靠天然的源泉進(jìn)行研究,而宇宙射線正是理想的觀測對象,它具有高能量、低強度的特點,便于觀察,所以它一經(jīng)發(fā)現(xiàn),就成為人們競相研究的對象．下面僅就宇宙射線及正電子的發(fā)現(xiàn)、研究作些簡介．

2 早期跡象

宇宙射線的跡象早在最初運用游離室觀測放射性時就被人們注意到了．當(dāng)初曾一度認(rèn)為驗電器的殘余漏電是由于空氣或塵土中含有放射性物質(zhì)．1903年,盧瑟福和庫克(H.L.Cooke)曾研究過這個問題．他們發(fā)現(xiàn),如果小心地把所有放射源移走,在驗電器中每立方厘米內(nèi),每秒鐘還會有大約10對離子不斷產(chǎn)生．他們用鐵和鉛把驗電器完全屏蔽起來,離子的產(chǎn)生幾乎可以減少30%．他們在論文中提出設(shè)想,也許有某種貫穿力極強、類似于γ射線的某種輻射從外面射進(jìn)驗電器,從而激發(fā)出二次放射性．

為了搞清這個現(xiàn)象的緣由,萊特(Wright)于1909年在加拿大安大略(Ontario)湖的冰面上重復(fù)上述實驗,游離數(shù)略有減小,看來可能是離地面遠(yuǎn)的原因．1910年法國的沃爾夫(F.T.Wulf)在巴黎300m高的埃菲爾鐵塔頂上進(jìn)行實驗,比較塔頂和地面兩種情況下殘余電離的強度,得到的結(jié)果是塔頂約為地面的64%,比他預(yù)計的10%要高．他認(rèn)為可能在大氣上層有γ源,也可能是γ射線的吸收比預(yù)期的?。?/p>

1910—1911年,哥克爾(A.Gockel)在瑞士的蘇黎世讓氣球把電離室?guī)У?500m高處,記錄下幾個不同高度的放電速率．他的結(jié)論是“輻射隨高度的增加而降低的現(xiàn)象……比以前觀測到的還要顯著．”

人們對這一反常輻射的來源議論紛紛,占上風(fēng)的看法認(rèn)為是來源于地上．

3 赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙射線

圖1 赫斯

奧地利物理學(xué)家赫斯(Victor Franz Hess,1883—1964,如圖1)正好是一位氣球飛行的業(yè)余愛好者．他設(shè)計了一套裝置,吊在氣球下,里面主要是一只密閉的游離室,壁厚足以抵抗一個大氣壓的壓差,靜電計的指示經(jīng)過溫度補償,直接記錄．他一共制作了十只偵察氣球,每只都裝載有2臺～3臺能同時工作的游離室．

圖2 柯爾霍斯特

1911年,第一只氣球升至1070m高,結(jié)果是在那一高度以下,輻射與海平面差不多．翌年,氣球達(dá)到5350m,得到的結(jié)果是:起初游離電流略有下降,800m以上似乎略有增加,在1400m～2500m之間顯然超過海平面的值,到5000m高處已數(shù)倍于地面．

1912年赫斯在《物理學(xué)雜志》發(fā)表題為《在7個自由氣球飛行中的貫穿輻射》的論文,結(jié)尾寫道: “這里給出的觀測結(jié)果所反映的新發(fā)現(xiàn),可以用下列假設(shè)作出最好的解釋．即假設(shè)強大穿透力的輻射是從外界進(jìn)入大氣的,并且甚至在大氣底層的計數(shù)器(指游離室)中都會產(chǎn)生游離．輻射的強度似乎每小時都在變化．由于我在日蝕時或在晚間進(jìn)行氣球放飛都未發(fā)現(xiàn)輻射減少,所以我們很難考慮太陽是輻射的來源”．

1914年,德國物理學(xué)家柯爾霍斯特(W.Kolh?rster,如圖2)將氣球升至9300m,游離電流竟比在海平面時大50倍,確證赫斯的判斷．

赫斯的發(fā)現(xiàn)引起了人們的極大興趣,促使物理學(xué)界針對字宙射線的各種效應(yīng)和起源問題進(jìn)行了廣泛的研究．

4 安德遜發(fā)現(xiàn)正電子

C.D.安德遜(Carl David Anderson,1905—1991,如圖3)是美國加州理工學(xué)院物理教授密立根的學(xué)生,從1930年開始跟密立根做宇宙射線的研究工作,盡管密立根對宇宙射線起源的見解后來被證明是錯誤的,但他和他的學(xué)生們在宇宙射線的研究方面作出過許多貢獻(xiàn),發(fā)展了觀測宇宙射線的各種實驗技術(shù),組織過多次科學(xué)考察．安德遜1930年起就負(fù)責(zé)用云室觀測宇宙射線．云室置于磁場中,為了鑒別粒子的性質(zhì),在云室中安有幾塊金屬板,粒子穿過金屬板,就可以區(qū)別其能量．1932年8月2日,安德遜在照片(如圖4)中發(fā)現(xiàn)一條奇特的徑跡,與電子的徑跡相似,卻又呈現(xiàn)相反的方向,顯示這是某種帶正電的粒子．從曲率判斷,又不可能是質(zhì)子．于是他果斷地得出結(jié)論,這是帶正電的電子,當(dāng)時安德遜并不了解狄拉克的相對論電子理論,更不知道狄拉克關(guān)于正電子存在的預(yù)言．

圖3 安德遜

圖5 西格雷

狄拉克是在他的相對論電子理論中作出這一預(yù)言的．從他的方程式可以看出,電子不僅應(yīng)具有正的能態(tài),而且也應(yīng)具有負(fù)能態(tài),他認(rèn)為這些負(fù)能態(tài)通常被占滿,偶爾有一個態(tài)空出來,形成“空穴”,他寫道:“如果存在空穴,則將是一種新的,對實驗物理學(xué)來說還是未知的粒子,其質(zhì)量與電子相同,電荷也與電子相等,但符號不同,我們可以稱之為反電子”．他還預(yù)言:“可以假定,質(zhì)子也會有它自己的負(fù)態(tài),……其中未占滿的狀態(tài)表現(xiàn)為一個反質(zhì)子”．關(guān)于反質(zhì)子的預(yù)言,到1945年才由西格雷(Emilio Segrè,如圖5)證實．

圖6 布拉開特

由于沒有及時地得到狄拉克電子理論的指導(dǎo),C.D.安德遜錯誤地解釋了正電子產(chǎn)生的機理．他認(rèn)為,初級宇宙射線撞擊到核內(nèi)的一個中子,會使中子分裂成為正電子和負(fù)質(zhì)子．為此,他還建議實驗家尋找這種“負(fù)質(zhì)子”．稍晚才由布拉開特(如圖6)和奧基亞利尼(G. Occhialini)從簇射現(xiàn)象的觀測搞清正電子產(chǎn)生的機理．他們用蓋革計數(shù)器自動控制云室,首次看到了正負(fù)電子對的產(chǎn)生．他們正確地解釋簇射現(xiàn)象是由于γ射線從原子核近旁通過時,轉(zhuǎn)化為正、負(fù)電子對,同時又有更多的γ射線產(chǎn)生,從而產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象．

由于發(fā)現(xiàn)宇宙射線和正電子的功績,赫斯和C.D.安德遜共享1936年諾貝爾物理學(xué)獎,而布拉開特因改進(jìn)云室技術(shù)和由此作出有關(guān)核物理和宇宙射線的一系列新發(fā)現(xiàn)也獲1948年諾貝爾物理學(xué)獎．

5 趙忠堯的研究及貢獻(xiàn)

圖7 趙忠堯

在反物質(zhì)世界的探討中,有一項先驅(qū)性的工作值得提到,這就是中國著名物理學(xué)家趙忠堯(1902—1998,如圖7)．1902年6月27日,趙忠堯出生在浙江諸暨南門趙家．他是人類物理學(xué)史上第一個發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的物理學(xué)家,兩彈功勛,我國核物理研究和加速器建造事業(yè)的開拓者,我國原子核物理、中子物理、加速器和宇宙射線研究的先驅(qū)、啟蒙者和奠基人．1927年夏,趙忠堯出國留學(xué),進(jìn)入美國加州理工學(xué)院的研究部,導(dǎo)師就是該校的校長、諾貝爾物理學(xué)獎得主密立根．1929年,他在用γ射線散射驗證克萊因-仁科(Klein-Nishina)公式時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬γ射線通過重元素(比如鉛)時,有反常吸收現(xiàn)象．進(jìn)一步研究使他首次發(fā)現(xiàn):伴隨著硬γ射線在重元素中的反常吸收,還存在一種從未見過的附加散射射線,能量為0.5 MeV．這實際上是對正負(fù)電子湮滅并轉(zhuǎn)化為一對γ光子的湮滅輻射．盡管趙忠堯并沒有能夠?qū)ψ约旱男掳l(fā)現(xiàn)作出這樣的解釋,但卻為布拉開特和奧基亞利尼的關(guān)鍵性解釋提供了有力依據(jù)．遺憾的是,布拉開特和奧基亞利尼在發(fā)表論文時并沒有正確地引用文獻(xiàn),使得這項有歷史價值的工作被人們忽視了幾乎有60年．直到20世紀(jì)80年代末,才由李炳安、楊振寧等人予以澄清．

趙忠堯觀測到的正、負(fù)電子湮滅輻射比后來安德遜看到的正電子徑跡早兩年,雖然與諾貝爾獎擦肩而過,但是,他的研究成果為研制正負(fù)電子對撞機提供了理論基礎(chǔ),這也奠定了他在世界物理學(xué)界的地位．事后,瑞典皇家科學(xué)院院士、前諾貝爾物理學(xué)獎委員會主任愛克斯朋(G?sta Ekspong,1922—2017)教授在其著作中曾專門提到趙先生這一歷史功績,告訴人們這是一樁“很令人不安的、沒法再彌補的疏漏”．“趙忠堯在世界物理學(xué)家心中是實實在在的諾貝爾獎得主!”

1946年,趙忠堯受委派赴比基尼群島參觀美國的原子彈試驗,之后又在美國麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院等處進(jìn)行核物理和宇宙射線方面的研究．1950年8月底,趙忠堯從美國洛杉磯登上了“威爾遜總統(tǒng)號”起程回國了,但是受到美國聯(lián)邦調(diào)查局的特務(wù)調(diào)查,經(jīng)過多方努力,于11月28日回到中國大陸．

回國后,他負(fù)責(zé)籌建中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系并任系主任．回國后的趙忠堯,主要從事核物理研究,主持建成中國第一、二臺質(zhì)子靜電加速器,為在國內(nèi)建立核物理實驗基地作出了重要貢獻(xiàn)．

由于眾所周知的原因,趙忠堯缺席科研許多年．1972年,他參與高能物理研究所的籌建,1973年,高能物理研究所成立,趙忠堯恢復(fù)工作,擔(dān)任副所長并主管實驗物理部的工作．

1995年10月,何梁何利基金委員會獎給趙忠堯10萬港幣的獎金,趙忠堯把它全部捐獻(xiàn)給了中科院數(shù)學(xué)物理學(xué)部,作為科學(xué)基金,以獎勵有成就的青年．

令人嘆惋的是,在與諾貝爾獎擦肩而過后,由于他錯過了許多建功立業(yè)的機會,身為中國核物理的奠基人,又一次與“兩彈一星”功勛獎?wù)聼o緣,這不能不說是一種遺憾．

6 結(jié)束語

從宇宙射線的發(fā)現(xiàn),到對宇宙射線進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)正電子,對研究光與實物之間的轉(zhuǎn)變有著重要意義,使人們對“基本粒子”的認(rèn)識有了一次質(zhì)的飛躍．

在宇宙射線被發(fā)現(xiàn)100多年之后,宇宙射線的研究已逐漸成為了天體物理學(xué)研究的一個重要領(lǐng)域．然而,宇宙射線仍然困擾著科學(xué)家們,許多科學(xué)家都試圖解開宇宙射線之謎．可是一直到現(xiàn)在,人們都并沒有完全了解宇宙射線的起源．一般認(rèn)為,宇宙射線的產(chǎn)生可能與超新星爆發(fā)有關(guān)．對此,一部分科學(xué)家認(rèn)為,宇宙射線產(chǎn)生于超新星大爆發(fā)的時刻,“死亡”的恒星在爆發(fā)之時放射出大能量的帶電粒子流,射向宇宙空間;另一種說法則認(rèn)為宇宙射線來自于爆發(fā)之后超新星的殘?。?/p>

不管最終的定論將會如何,科學(xué)家們?nèi)詫褬O大的熱情投入到宇宙射線的研究中去．