網(wǎng)站地圖聯(lián)系我們English中國科學(xué)院
     
張文裕
  張文裕  
  趙忠堯  
  袁家騮  
  何澤慧  
  謝家麟  
  高能新聞
·高能所組織召開CEPC加速器預(yù)研產(chǎn)學(xué)研合作研討會
·高能所理論學(xué)習(xí)中心組集中學(xué)習(xí)黨的十九屆四中全會精神
·質(zhì)子加速器高性能雙Spoke超導(dǎo)腔研制成功
·高性能1.3GHz超導(dǎo)腔研究取得重要進展
·PAPS項目超導(dǎo)腔水平測試低溫恒溫器順利通過出廠驗收
·高能所與故宮博物院簽訂戰(zhàn)略框架協(xié)議
·高能同步輻射光源國際顧問委員會第二次會議在懷柔召開
·中國科學(xué)院粒子物理前沿卓越創(chuàng)新中心組織舉辦第六屆“...
·超導(dǎo)3W1扭擺磁鐵在高能所完成在線運行測試評審
·2019年第二次同步輻射開放運行結(jié)束
  人才招聘
您現(xiàn)在的位置:首頁 > 科學(xué)傳播 > 科學(xué)人物 > 張文裕
奇異原子的首次發(fā)現(xiàn)與張文裕教授
2009-09-22  | 文章來源: | 瀏覽次數(shù):   | 【

正常的原子模型是由盧瑟福在1911年提出的原子有核模型確定下來的,從那時起在30多年內(nèi),科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的各種元素的原子結(jié)構(gòu)都是由原子核和其外圍的沿定態(tài)軌道分布和旋轉(zhuǎn)的電子組成。這種原子結(jié)構(gòu)在科學(xué)界得到公認(rèn),并且規(guī)范下來,但是到了40年代末一種反常的原子結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)了,這就是圍繞原子核沿定態(tài)軌道旋轉(zhuǎn)的不是電子,而是被另一種負(fù)粒子—負(fù)μ子取代了,因而大開了物理學(xué)家們的眼界,它是在美國普林斯頓大學(xué)任物理研究教授的張文裕在1948年首次發(fā)現(xiàn)的,從而開拓了奇異原子研究的領(lǐng)域。

一、什麼是奇異原子

   與傳統(tǒng)的原子由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成的原子結(jié)構(gòu)不同,奇異原子是一種負(fù)粒子繞一種正粒子作為核心旋轉(zhuǎn)的“原子”結(jié)構(gòu),它是在張文裕發(fā)現(xiàn)μ子原子之后逐漸發(fā)展而形成的新原子結(jié)構(gòu)概念。例如,1952年卡馬克發(fā)現(xiàn)了由負(fù)π介子繞原子核旋轉(zhuǎn)的π介子原子,后來有些人又發(fā)現(xiàn)了電子繞正μ子旋轉(zhuǎn)的μ子素、負(fù)K介子和負(fù)Σ超子及反質(zhì)子(帶負(fù)電荷的質(zhì)子)繞原子核旋轉(zhuǎn)的奇異原子等。

與其他奇異原子相比,μ子原子的壽命比上述的幾種奇異原子的壽命長百倍。由于μ子質(zhì)量為電子的207倍,按照庫侖定律它的外層軌道尺寸也比電子外層軌道的尺寸小207倍,因此原子直徑相應(yīng)地小207倍,它的內(nèi)層軌道可能穿過原子核,一旦被核俘獲會形成μ子分子,這對于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、固體物理和化學(xué)有重要的意義。此外,從μ子原子發(fā)現(xiàn)后,出現(xiàn)了μ子物理學(xué)科,從70年代后有了很大發(fā)展,如美國的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者休斯(V.W.Hughes)和美籍華人女物理學(xué)家吳健雄在1977年出版了一套《μ子物理》專著,其中在吳健雄寫的第一章中特地指出張文裕在1949年“用云室研究停止宇宙線中的負(fù)μ子時發(fā)現(xiàn)了μ子原子”,并說:“第一個觀察到μ子原子產(chǎn)生X射線的是張文裕的報告”。從吳健雄的這個說法可以看出,張文裕發(fā)現(xiàn)μ子原子得到國際科學(xué)界的承認(rèn),而且他們出版的這套書就清楚地說明μ子原子的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致μ子物理學(xué)科的出現(xiàn)。

二、μ子原子是怎樣發(fā)現(xiàn)的

   普林斯頓大學(xué)物理系巴爾末實驗室主任惠勒(J.A.Wheeler)于1949年在《物理評論》雜志上發(fā)表的文章中指出,“有趣的是,介子的能級和能級的躍遷的第一個實驗證據(jù)是張文裕教授給出的”。那么,張文裕教授是怎樣發(fā)現(xiàn)μ子原子的呢?

   為了回答這個問題,應(yīng)當(dāng)說明介子的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)情況,因為μ子在早年被稱為μ介子,而介子是質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間的帶電粒子。1935年,日本物理學(xué)家和諾貝爾物理學(xué)獎獲得者湯川秀樹為了解釋原子核內(nèi)的強相互作用的傳遞問題,提出原子核內(nèi)存在介子,介于傳遞強相互作用。但是在1937-1947年間,物理學(xué)家們先后在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了μ(當(dāng)時稱為宇宙線介子)和π介子,并發(fā)現(xiàn)π介子能衰變成μ子。第二次世界大戰(zhàn)之后,在美國流傳蘇聯(lián)用電磁透鏡聚焦了宇宙線中的μ子,它們能夠產(chǎn)生強相互作用而爆炸,因而制成了爆炸力極強的新式武器。當(dāng)時已進入冷戰(zhàn)時期,這在美國軍事界和政界引起了恐慌,因而海軍部授權(quán)普林斯頓大學(xué)進行該項研究,物理系主任史邁斯(H.Smyth)和巴爾末實驗室主任惠勒就把這項工作交給了張文裕(191O-1992)。

張文裕認(rèn)為用云室法比電磁透鏡法要好得多,就自己制作了一種新的云室,這個云室的特點是自動的和多路符合的,因此是用計數(shù)器自動控制的和全時工作的,可以延遲控制,定時清除,以便隨時可靠地操作。此外還需保持溫度和氣壓的穩(wěn)定性,以便使進入云室的μ子能夠作為云霧凝結(jié)的核比較單純和一致,以便增加操作和觀測的穩(wěn)定性。張文裕是云室發(fā)明地——卡文迪什實驗室出來的核物理博士,經(jīng)過嚴(yán)格的云室使用和制作訓(xùn)練,所以他采用和制作的云室是有堅實的經(jīng)驗基礎(chǔ)的。

實驗的儀器原理如圖所示,宇宙射線中的μ子通過1米厚的鉛塊,大大放慢了速度,然后通過符合計數(shù)器和反符合計數(shù)器多次后,進入云室和金屬箔片上,箔片數(shù)以能使μ子停止在箔片中為準(zhǔn)。再后,箔片的原子受到μ子作用,產(chǎn)生定態(tài)能級軌道躍遷,釋放出光子(以γ射線形態(tài)出現(xiàn)),光子再與箔片作用而放出電子對,由云室熒光屏上顯示出徑跡,而被觀測到。μ介子吸收實驗儀器示意圖(略 )由于云室做成可放置金屬箔片的,張文裕用的箔片為鋁、鐵和鉛的,厚度為0.002英寸(0.051毫米),用自動化的云室可以自動地拍照宇宙線中負(fù)μ子被箔片停止的情況。他先后拍了幾萬張照片,其中有效的達(dá)5000對張,其中的一張如圖所示。從照片上可以看出沒有一個介子被金屬箔停止而產(chǎn)生介子引起的爆炸現(xiàn)象,因而證實美國的上述流傳是沒有根據(jù)的。此外,他還發(fā)現(xiàn)在箔片上沒有由于負(fù)μ子的打擊而放出電子來,這個現(xiàn)象說明負(fù)μ子不參與強相互作用,而是一種弱相互作用的粒子。從而證明負(fù)μ子并不像過去費米和惠勒說的具有強相互作用,也就是說它是輕子而不是強子(注),從而搞清楚了μ負(fù)子的本質(zhì)和性質(zhì)。(照片略)

   1949年8月,張文裕在《物理評論》雜志上發(fā)表了用云室研究鋁、鐵、鉛箔對介子的吸收》的論文,他指出負(fù)μ子與這三種金屬的原子核作用時,只將一小部分能量給了原子核,而把大部分能量傳給一種中性粒子(很可能是中微子)并由它們帶走,從而引起了核內(nèi)粒子的重新安排。他說減慢的負(fù)μ子在靠近原子核時,核外的定態(tài)軌道之間有明顯的粒子躍遷發(fā)生,在躍遷時放出γ射線或光子。這個發(fā)現(xiàn)說明,負(fù)μ子進入原子后取代了電子并繞原子核旋轉(zhuǎn),但是軌道直徑小多了,它們的定態(tài)軌道發(fā)生躍遷就放出了光子,光子與金屬箔作用以正負(fù)電子對放出而被觀測到。宇宙線中的正μ子與原子核的電性相同而被排斥開,不會被原子核俘獲,也不會形成定態(tài)軌道上的粒子,所以不必予以注意。張文裕教授1949年5月在華盛頓舉行的美國物理學(xué)會的會議上報告過他的研究結(jié)果,根據(jù)他的計算,得出負(fù)μ子的定態(tài)軌道及其躍遷與釋放能量之間的關(guān)系,給出了一系列有關(guān)的具體數(shù)據(jù)。此外,他還在1949-l950年發(fā)表了幾篇文章,對鋁、鐵、

鉛等停止負(fù)μ子的實驗及其與γ射線的關(guān)系做了詳細(xì)的定量說明。

(張文裕發(fā)現(xiàn)μ子原子用的云室裝配圖,略)

   1954年,張文裕對自己的μ子原子研究做了系統(tǒng)的總結(jié),發(fā)表了《海平面介子停止在鉛和鋁箔上》的長篇論文,并且是在著名的《物理評論》上發(fā)表的。第一部分說明他的實驗花了2600有效小時,僅鋁箔實驗就達(dá) 1500有效小時,據(jù)他本人向筆者介紹實際用的時間比這些要多3-5倍,拍照片5000多對張,從中可看出他為了發(fā)現(xiàn)μ子原子付出了多么艱辛的勞動。

     三、實驗結(jié)果的驗證

     張文裕在1954年的上述文章中指出,負(fù)μ子被原子核俘獲并在核外軌道之間躍遷的想法是惠勒最早提出的。他說幾乎每俘獲一個μ負(fù)子就放出一個光子,因而從能譜上可以發(fā)現(xiàn)負(fù)μ子在軌道上躍遷。第一個驗證是由雷恩瓦特(James Rainwater)1953年在加速器實驗中證實的,系用加速器發(fā)射的負(fù)μ子束和碘化鈉能譜儀,通過μ子原子發(fā)出的X射線譜線進行測量,得到明確的確認(rèn)。1964年以后,有些國家的研究組用半導(dǎo)體鍺和鋰檢測器以很高的精度做出嚴(yán)格的驗證,得到國際高能物理學(xué)界的公認(rèn)。

     1960年,休斯發(fā)現(xiàn)了電子可以繞正μ子旋轉(zhuǎn)的奇異原子,稱之為“μ子素”,又用正電子繞負(fù)μ子旋轉(zhuǎn)而發(fā)現(xiàn)“反μ子素”,從而將奇異原子的類型大大拓寬。美國另一物理學(xué)家霍夫斯達(dá)特(R.Hofstadter)用直線加速器產(chǎn)生高能電子來研究原子核,提出質(zhì)子和中子都會有一個由介于構(gòu)成的核心,在1961年獲得諾貝爾獎。我國高能物理學(xué)家李峨淼在1972年留學(xué)美國歸來時,曾對張文裕說:“你發(fā)現(xiàn)的μ子原子,你種下的這棵樹,已經(jīng)開花結(jié)果了!”

    四、遲到20年的承認(rèn)

    張文裕教授1910年生于福建省惠安縣,少年時學(xué)習(xí)勤奮,成績優(yōu)秀,由于家境貧寒和逃婚,求學(xué)十分艱難。中學(xué)畢業(yè)后,由于校長的支持并向燕京大學(xué)物理系主任謝玉銘推薦,利用在船上打工償付路費,到了北京,終于考入了該大學(xué)物理系學(xué)習(xí)。每逢假期,賣掉鋪蓋去內(nèi)蒙古打工,掙下學(xué)期的學(xué)費,到三年級時邊做助教邊求學(xué),畢業(yè)后又讀了3年碩士,然后考取庚子賠款赴英國劍橋大學(xué)讀博士學(xué)位,在盧瑟福指導(dǎo)下學(xué)習(xí)核物理,于1938年獲博士學(xué)位后回國,在西南聯(lián)大任物理教授。1943年,到美國普林斯頓大學(xué)任物理研究教授,在1948—1949年做出了上述發(fā)現(xiàn)。中華人民共和國成立后,擔(dān)任旅美中國科學(xué)家聯(lián)合會主席的張文裕想回國投入祖國建設(shè),受麥卡錫主義橫行的迫害和限制,幾經(jīng)曲折,才終于由中美在波蘭大使的定期會晤中商定,繞經(jīng)歐洲歸國。他回國后,先后任近代物理研究所和原子能研究所的研究員、室主任和副所長,1973年建立高能物理所就是出于他的動議并任第一任所長,直至退下來任名譽所長。他是中國宇宙射線和高能物理研究的主要奠基人。張文裕由于麥卡錫主義迫害不但多年受到限制、審查,而且連他發(fā)現(xiàn)的μ子原子在1954年后也不能被提到和流傳,直至1972年中美恢復(fù)邦交和他在1973年作為中國科學(xué)家考察團成員赴美后才解凍。每當(dāng)張先生回顧這段往事時,眼中總會泛著淚花,使筆者甚為感動,為這位出身貧寒和頑強攀登科學(xué)高峰的科學(xué)家的科學(xué)精神所震撼。

   張文裕教授于1992年11月5日病逝于北京醫(yī)院。

 

注:弱子指參與弱相互作用的粒子,這里指負(fù)μ子是參與弱相互作用的弱子。強子指參與強相互作用的粒子,這里指負(fù)μ子不是參與強相互作用的強子。

 

(摘自閻康年著“萬物之理”一書)


中國科學(xué)院高能物理研究所    備案序號:京ICP備05002790號
地址:北京市918信箱    郵編:100049    電話:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn