正电子

正电子

由上述那些发现所引起的激动还未平静，一个新的奇迹又出现了。这次是来自宇宙射线这一领域。人类知道有宇宙射线，开始于本世纪初。宇宙射线的地球外来起源说，建立于1912年前后，主要是由于V.F.赫斯（V.F.Hess）的气球飞行。赫斯用测量各种高度上验电器的自发放电，能够识别出哪是地球上所含放射性物质所产生的电离，哪是起源于地球之外穿透辐射所产生的电离。其它在物理学和地球物理方面成功的研究，有助于得出这样的结论：各向同性的辐射弥散于整个宇宙空间。人们推测：这种辐射是由于电子和高能γ射线组成的。然而，各种分析和解释都面临着严重的困难，因为在地球表面所观察到的辐射并非就来自空间的原始辐射，而是由原始辐射穿过地球大气层时形成的产物。在高山上，或用气球进行高空观察可能有助于将原始辐射与次级辐射分开。但这仍然是个很复杂的问题。

一个以帕萨迪纳的加州理工学院的罗伯特·安德鲁斯·密立根（Robert Andrews Millikan）为中心的研究宇宙射线很活跃的学派正处于兴旺时期。密立根曾发展了一些很有用处的技术；组织过几批科学考察和研究小组，他对宇宙射线方面的研究作出了重要贡献。然而，密立根的思想并非一贯正确，有时他很有点固执己见不愿意接受与他的先入之见相反的论据。

R.A.密立根（1868～1953）象许多美国科学家那样，是一位有一个大家庭的穷牧师的儿子。他的青年时期是在美国中西部的一个小镇上度过的；上过奥伯林学院。作为二年级的学生，他被聘请教他从未学过的物理学。直到他得到奖学金能上哥伦比亚大学为止一直在那里教课。1895年他在哥伦比亚大学获得了博士学位。在德国待了一段时期之后，他成了芝加哥大学迈克尔逊的助手。一直到1909年他才能着手一项关于电子电荷测定的重要科研计划；以及后来对普朗克常数的测定。这两项均是第一流的实验成就。1921年他离开芝加哥来到帕萨迪纳的加州理工学院。在这里，他建立了一个大型的物理实验室。该实验室在一段时期内是美国最好的一个。密立根的性格在物理学家中是少见的。他是一位善于联系公众的杰出人物。即使是在困难的时期，他也能筹集到大量资金。宣扬自己时他毫不犹豫；他喜欢谈论关于科学和宗教，并把宇宙射线称作为“原子诞生时的啼哭声”，或者是“星体的音乐”。为此，在一个宗教团体把一块写有“耶稣救世”的大牌子挂到加州理工学院时，一些学生给它加了一句：“密立根受此荣誉”。

不过，密立根的自我宣扬，是以他坚实的科学和管理上的成就为基础的。他自己在物理学上的实验研究工作，由许多优秀的加州理工学院研究组扩展到一些另外的领域。宇宙射线、光谱学、X射线以及核物理方面的研究兴旺了起来。在他的管理之下，创建了化学、生物学、工程学以及其它专业的一些实验室，配备了一批富有才华的科学人材，他们中的许多人后来成了世界著名的科学家。威尔逊山和帕洛马天文台就是天文学方面的先驱。

密立根的出身和背景在他个人品格上反映出来。他成长于在马克·吐温的作品中曾被很好地描述过的中西部的乡村环境中。密立根的多才多艺可从他从事的多种工种容易地看出来。他做过从法庭的记录员到体育教练，直至杰出的实验物理学家等等不同的工作。他在宗教和哲学上简单的，有时显得天真的观点，以及他的科学风格，都是他那个时代的美国的典型。按照他的科学风格，技术和设备能力比理论思想更为重要。尽管他有弱点而且单纯，但是他有他自己的高度伦理思想和某种高贵之处。

密立根最重要的门生之一，卡尔·D·安德森（Carl D.Ander son）（图9.10），1905年出生于纽约，父母是瑞典人。安德森在加州理工学院度过他的整个漫长而杰出的科学生涯。1930年他着手建造好几个云室。云室置于磁场中，并有几块让观察粒子必须穿过的金属平板。这样，他就能观察粒子的磁偏转以及它们在穿过平板时的行为。

使用这种技术，包括它的改进形式，安德森和他的学生（S.尼德迈耶和其他人），长期内作出了许多重要的发现。第一个发现发生在1932年8月2日。那天他得到了一张复制于图9.11中的那张照片。在该照片中，示出了一个穿过铅板并在云室中受阻止的电子。由于这个电子穿过铅板损耗了动量，它的运动方向是确定的，结果，轨道的曲率增加了。因此，这个电子必须向上运动。然而，给定的这个运动方向和磁场方向，所出现的那个轨迹的曲率却是属于另一种带正电荷粒子的，而不是一个带负电荷的普通电子的。是质子吗？不可能。因为一个有足够动量穿透铅板的质子轨迹，在云室的磁场中是不可能显示出可见的曲度来的。相反，要是它的轨迹是弯曲的，它就没有足够的动量去穿透这层铅板。仔细审查了这张照片之后，不得不作出这样的结论：其实我们是在与一种带正电荷的电子，或者如我们现在叫它做正电子的打交道。在1932年时，安德森并不熟悉狄拉克的电子理论，也并不知道他曾预言过正电子的存在。他发表的一篇令人信服的实验例证的短文，立即就使所有的物理学家相信：他观察到了一个正的电子。当然，这同样也是狄拉克理论的胜利。

对照安德森的发现，其他一些物理学家在以往得到的一些照片中也发现了正电子的径迹，只是在当时这些径迹并没有引起他们的注意，抑或是作了错误的解释，再或是它们还不足以令人信服地证明是正电子。

在安德森的工作之前，布鲁诺·罗西曾注意到放在一个用铅作外壳的按三角形排列的三个盖革-迈尔计数器之间的计数信号符合现象。这种符合，如果不是假定从铅中至少同时出现两种带电粒子的话是难于解释的。这个实验的结论看来是如此难以使人相信以致于第一家科学杂志拒绝为手稿提供出版机会，而后被送至另一家杂志。为了弄清这一奥秘，P.M.S.布莱克特和G.P.S.奥基亚利尼（G.P.S.Occhialini）使用云室周围的计数器之间的三重信号符合法引起该云室膨胀。这样，他们在该云室中看到了正粒子和负粒子的真正簇射（图9.12）。这项工作是在卡文迪许实验室里完成的。关于这一发现的一个故事，也许已稍经润饰过了，说的是在奥基亚利尼看到他自己显影的这张照片时，高兴得直奔卢瑟福的家。女仆一开门，激动的奥基亚利尼立即吻了她一下。卢瑟福看了这张照片后，便开了一张五十英镑的支票给他，而奥基亚利尼当时正处于经济拮据之际。

这种簇射现象，实际上是由γ射线分为正负电子对，再产生更多的γ射线，依此类推的物质化[1]来解释。这种物质化过程只发生在有原子核的情况中，在重核情况下更佳，这是因为在这一过程中，需要确保它们动量和能量守恒。

伊雷娜·居里和约里奥甚至在安德森之前，在他们研究用钋加铍来产生辐射时，就在云室中看到过正电子。然而，他们把它理解为向放射源移动的电子，而不是从源发出的正电子。当然，要理解向放射源移动的电子来自何处，这也是一个问题。约里奥-居里夫妇想必后悔失去的不只是中子，而且同样地还有正电子哩！1933年4月，他们重又运转起自己的云室来。5月23日，他们证实了：从钋加铍源（除了发射中子以外还发射硬γ射线）中发出的硬γ射线通过物质化产生了正负电子对。两个月以后，即七月份，他们除了正负电子对外，也记录到了单个正电子。这是一个值得注意的事实，更引人注目的是，单个正电子的能量看来似乎有着连续能谱。