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，科學家們發(fā)現(xiàn)的各種元素的原子結構都是由原子核和其外圍的沿定態(tài)軌道分布和旋轉的電子組成。這種原子結構在科學界得到公認，并且規(guī)范下來，但是到了40年代末一種反常的原子結構被發(fā)現(xiàn)了，這就是圍繞原子核沿定態(tài)軌道旋轉的不是電子，而是被另一種負粒子—負μ子取代了，因而大開了物理學家們的眼界，它是在美國普林斯頓大學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的電子構成的原子結構不同，奇異原子是一種負粒子繞一種正粒子作為核心旋轉的“原子”結構，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構概念。例如，1952年卡馬克發(fā)現(xiàn)了由負π介子繞原子核旋轉的π介子原子，后來有些人又發(fā)現(xiàn)了電子繞正μ子旋轉的μ子素、負K介子和負Σ超子及反質子（帶負電荷的質子）繞原子核旋轉的奇異原子等。
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，因此原子直徑相應地小207倍，它的內層軌道可能穿過原子核，一旦被核俘獲會形成μ子分子，這對于研究物質的結構、固體物理和化學有重要的意義。此外，從μ子原子發(fā)現(xiàn)后，出現(xiàn)了μ子物理學科，從70年代后有了很大發(fā)展，如美國的諾貝爾物理學獎獲得者休斯(V.W.Hughes)和美籍華人女物理學家吳健雄在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界的承認，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)導致μ子物理學科的出現(xiàn)。
二、μ子原子是怎樣發(fā)現(xiàn)的
普林斯頓大學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，應當說明介子的預言和發(fā)現(xiàn)情況，因為μ子在早年被稱為μ介子，而介子是質量介于電子和質子之間的帶電粒子。1935年，日本物理學家和諾貝爾物理學獎獲得者湯川秀樹為了解釋原子核內的強相互作用的傳遞問題，提出原子核內存在介子，介于傳遞強相互作用。但是在1937－1947年間，物理學家們先后在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了μ子(當時稱為宇宙線介子)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，因而海軍部授權普林斯頓大學進行該項研究，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，經過嚴格的云室使用和制作訓練，所以他采用和制作的云室是有堅實的經驗基礎的。
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。再后，箔片的原子受到μ子作用，產生定態(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μ子的打擊而放出電子來，這個現(xiàn)象說明負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負子的本質和性質。（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，從而引起了核內粒子的重新安排。他說減慢的負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μ子進入原子后取代了電子并繞原子核旋轉，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會的會議上報告過他的研究結果，根據(jù)他的計算，得出負μ子的定態(tài)軌道及其躍遷與釋放能量之間的關系，給出了一系列有關的具體數(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μ子的實驗及其與γ射線的關系做了詳細的定量說明。
（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，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 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、實驗結果的驗證
張文裕在1954年的上述文章中指出，負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負子就放出一個光子，因而從能譜上可以發(fā)現(xiàn)負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。1964年以后，有些國家的研究組用半導體鍺和鋰檢測器以很高的精度做出嚴格的驗證，得到國際高能物理學界的公認。
1960年，休斯發(fā)現(xiàn)了電子可以繞正μ子旋轉的奇異原子，稱之為“μ子素”，又用正電子繞負μ子旋轉而發(fā)現(xiàn)“反μ子素”，從而將奇異原子的類型大大拓寬。美國另一物理學家霍夫斯達特(R.Hofstadter)用直線加速器產生高能電子來研究原子核，提出質子和中子都會有一個由介于構成的核心，在1961年獲得諾貝爾獎。我國高能物理學家李峨淼在1972年留學美國歸來時，曾對張文裕說：“你發(fā)現(xiàn)的μ子原子，你種下的這棵樹，已經開花結果了！”
四、遲到20年的承認
張文裕教授1910年生于福建省惠安縣，少年時學習勤奮，成績優(yōu)秀，由于家境貧寒和逃婚，求學十分艱難。中學畢業(yè)后，由于校長的支持并向燕京大學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，終于考入了該大學物理系學習。每逢假期，賣掉鋪蓋去內蒙古打工，掙下學期的學費，到三年級時邊做助教邊求學，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讀博士學位，在盧瑟福指導下學習核物理，于1938年獲博士學位后回國，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，擔任旅美中國科學家聯(lián)合會主席的張文裕想回國投入祖國建設，受麥卡錫主義橫行的迫害和限制，幾經曲折，才終于由中美在波蘭大使的定期會晤中商定，繞經歐洲歸國。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年中美恢復邦交和他在1973年作為中國科學家考察團成員赴美后才解凍。每當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高峰的科學家的科學精神所震撼。
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）
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