新兴的原子核物理学

新兴的原子核物理学

从1933年10月22日至28日的第七届索尔维会议，是专门讨论核物理的一届会议。核物理是当时物理科学的中心议题。由于如本章中所述及到的发现全都是新的东西，所以会议不泛讨论课题。图9.13是这次索尔维物理讨论会的与会者。老一代由居里夫人和卢瑟福为代表；年轻的一代由约里奥、查德威克、伊雷娜·居里、玻特、费米和E.O.劳伦斯——唯一的一位美国人——为代表。会议文集表明了当时的学识状态、疑难所在，以及尚未搞清楚的主要问题。有些问题的解决已经在握，或者眼看就会解决，而另一些问题则全处于混乱状态。

最令人头痛的难题之一是β衰变。这个问题看来即是在探究能量的守恒问题。β衰变生成的电子具有连续的能谱，而初始状态和最终状态是完全确定了的。如果这些衰变的电子不具有等于初态和终态之间的能量差，那么能量到哪里去了呢？对这个问题，物理学家们已经研究了若干年。例如，他们检验了γ辐射是否能补偿这些失去的能量。许多实验，甚至用量热法，都无法揭示这些失却能量的去处。而且，另一些困难是角动量和其它一些通常守恒的量的守恒所面临的问题。在看来毫无希望之时，玻尔甚至准备放弃核现象中的能量守恒定律。泡利却比较仔细，1930年以来他就建议：β衰变中的电子可能伴有轻的中性的我们难以观察到的粒子，以尚不能测量的方式带走了这失去的能量，从而重新确认了能量守恒和另一些守恒定律。在罗马，泡利的轻中性粒子，通常被叫做“neutrino”（小的中性粒子，意大利语），与查德威克的“neutrone”（大的中性粒子，意大利语）相对照。1933年底，费米阐明了建立在中微子假设基础上的β衰变的理论时，中微子的名字才被普遍采用。

在这届索尔维物理讨论会上，关于β能谱的演讲中，弗朗西斯·佩兰（Francis Perrin），让·佩兰的儿子，作了一个极为重要的评述。评议说，在约里奥-居里夫妇的云室中摄得的照片上出现的正电子，它们具有连续的能谱分布，这使他连想起了β衰变谱来。他不知道他的想法正确性如何！

在这次会议上所讨论的另一个惊人的结果是由汉堡大学的奥托·斯特恩和他的合作者I.爱斯托曼（I.Estermann）和O.弗里希（O.Frisch），在此会议前不久获得的。他们重复做了氢分子的斯特恩-革拉赫实验，成功地测量了质子的核磁矩，而不是电子的磁矩（图9.14）。要进行这个实验异常困难，因为如我们从在分母中包含了粒子质量的玻尔磁子表示式中可以看到的那样，质子磁矩的预期值比电子的磁矩小三个数量级。简单地推广的话将会得到：质子的磁矩与电子的磁矩之比是它们质量之比的倒数，1/1836。这也是理论物理学家们所期望的，包括大物理学家泡利也这样认为。他那时正在汉堡大学。泡利对斯特恩说：要是他喜欢做些困难的实验的话，他能够做，但是既然结果早已知道，再做的话也只是白白浪费时间和精力而已。在一次关于当时正在进行的实验的讨论会之后，斯特恩让全部出席者在一张纸上将各自所期望的结果写在他们各自的签名之上。斯特恩把那张纸放进了他的衣袋。最终的结果出人意料：质子的磁矩约大于所期望值的三倍。这是质子结构复杂的主要标志之一。

在这次索尔维物理讨论会之后，与会者返回家园，思考着他们在布鲁塞尔所听到的一切。不到几个月，一些伟大的新发现又接踵而来。

费米一直在思索着β衰变问题，他喜欢中微子的定性概念，但是必须根据量子力学法则把它转换为一种定量理论。这时出现了一个困难：在通常的量子理论中，粒子数是一个常数，而电子和中微子是在β衰变时即刻产生的；然而，光显示出了一种类似的效应，这是事实。我们可以说：光量子是在原子从一个较高能态跃迁到一个较低态的同一瞬间产生的。

狄拉克、泡利和海森堡1928年都曾着手解决这个问题。但是，他们在这个课题上的探讨报告——开创了量子场论和量子电动力学——并不容易理解。他们依据由对易关系表示的量子理论法则将麦克斯韦电磁场量子化。根据这个理论，作为1905年爱因斯坦假设的光量子的存在，在数学上也得到了证实。1929年费米粗略地看了一下狄拉克1927年关于辐射的量子理论的论文，知道了他得到的结论之后，他决定用自己比较简单的方法来研究这个课题，回避了当时对狄拉克理论理解上的困难。于是，他写了一篇关于量子电动力学的著名的论文，为大多数普通的物理学家打开了辐射理论之门。这篇论文既严密、确切，又避免了使用那些产生算符和湮灭算符的麻烦。这些算符是几年以前，由O.克莱茵、P.约丹、E.维格纳和其他一些人发明的。真如它们的名称所示，用来产生和湮灭粒子。它们与费米子和玻色子不同，需要一种当时费米还没有掌握的数学工具。

从布鲁塞尔回来，费米决定他现在必须学会如何使用那些算符，进行了某种学习之后，他认为已经掌握了，也为检验自己的熟练程度而要做的一个“练习”作好了准备。他尝试去描述β衰变，用尽可能接近电动力学的方法为之建立模型。为了做这，他不得不引进一个新的基本的相互作用，即一个诸如引力和电力那样的新的自然力。这个所谓弱相互作用，或费米相互作用需要一个新的普适常数g，这个常数可从β衰变的实验中加以确定。费米的理论解释了β能谱的形式，β衰变的平均寿命和这种衰变的许多特征。由于有了中国人李政道和杨振宁所作的一个基本的补充，它在今天仍然成立。这个情况我们将在第十二章中提及。费米关于β衰变的研究大概是他的理论杰作，对粒子物理是有基本重要性的。费米在1933年底将他的手稿寄给《自然》杂志，却立即就被编辑拒绝了。其后不久在别处发表。(https://www.daowen.com)

1934年初，当我们正在罗马研究β衰变时，读到了由伊·居里和约里奥写的一页的通讯报告，很使我们有不知所措之感。

巴黎发生了什么？如我们提到过的，在索尔维会议上，伊·居里和约里奥已报道过某些物质在α粒子轰击下发射的一个连续的正电子能谱。他们一直坚持研究这个现象。他们的在1934年1月19日的结论都写在给《自然》杂志的一封信里（图9.15）。如他们所写：

我们最近的一些实验已显示出一个很引人注目的事实。当一铝箔在钋制品上被辐照时，若将该放射性制品拿走，正电子的发射也不立即停止。铝箔保持放射性，辐射发射象一般放射性元素那样以指数律衰减。我们用硼和镁观察到了同样的现象……

这一页篇幅的文章证实了卢瑟福的预言：伊·居里和约里奥所遭遇到的失意事不久将会被某个伟大的事件所弥补。确实，他们现在已获得了本世纪最重要的发现之一：人工放射性。他们接受了诺贝尔奖金。我希望，他们会以此为失去了发现中子和正电子的机会而感到补偿的。这里，我是不是可以向实验科学家们建议：将注意力集中在那些短小精悍而又精彩的文章上面，这也许是可取的。诺贝尔奖金评审委员会似乎是愿意选取那些一页篇幅的出版物；这与大学晋级委员会正好相反，这些委员会有时（虽然我相信这种事情很少发生）象是用文章的纸的重量来作出判断！

约里奥夫妇立即检验了这些新的放射性元素的化学性质，用标准放射化学方法将它们与靶元素分开。因此，他们发现：它们产生的核反应是：

这里，磷的放射性同位素有约3分钟的半衰期，并按反应

衰变。化学元素的上下标是质量数和原子序数Z。原子核反应常常用由玻特引进的一个更为简明的方式加以表达。的形成用符号（α，n）表示，这里，第一个符号表示靶元素，小括号内的第一项表示轰击粒子，第二项表示放出的粒子，最后一个符号表示该反应的产物。

人工放射性发现的意义是巨大的。那时病得很重，非常衰老的居里夫人尚能动笔给她的女儿写信：“我们已经回到了老实验室的光辉时代。”她勉强来得及在她的关于放射性的论文的新版里插进一小段关于人工放射性的内容。这个新版本在她逝世后才出版。