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(lái)的，從那時(shí)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(lái)，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(kāi)了物理學(xué)家們的眼界，它是在美國(guó)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(kāi)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(lái)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(zhǎng)百倍。由于μ子質(zhì)量為電子的207倍，按照庫(kù)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(guò)原子核，一旦被核俘獲會(huì)形成μ子分子，這對(duì)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(guó)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)了μ子原子”，并說(shuō)：“第一個(gè)觀察到μ子原子產(chǎn)生X射線的是張文裕的報(bào)告”。從吳健雄的這個(gè)說(shuō)法可以看出，張文裕發(fā)現(xiàn)μ子原子得到國(guó)際科學(xué)界的承認(rèn)，而且他們出版的這套書(shū)就清楚地說(shuō)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(shí)驗(yàn)室主任惠勒(J.A.Wheeler)于1949年在《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表的文章中指出，“有趣的是，介子的能級(jí)和能級(jí)的躍遷的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明介子的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)情況，因?yàn)?/SPAN>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(jiǎng)獲得者湯川秀樹(shù)為了解釋原子核內(nèi)的強(qiáng)相互作用的傳遞問(wèn)題，提出原子核內(nèi)存在介子，介于傳遞強(qiáng)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子(當(dāng)時(shí)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(guó)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(qiáng)相互作用而爆炸，因而制成了爆炸力極強(qiáng)的新式武器。當(dāng)時(shí)已進(jìn)入冷戰(zhàn)時(shí)期，這在美國(guó)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(jìn)行該項(xiàng)研究，物理系主任史邁斯(H.Smyth)和巴爾末實(shí)驗(yàn)室主任惠勒就把這項(xiàng)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(gè)云室的特點(diǎn)是自動(dòng)的和多路符合的，因此是用計(jì)數(shù)器自動(dòng)控制的和全時(shí)工作的，可以延遲控制，定時(shí)清除，以便隨時(shí)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(jìn)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(cè)的穩(wěn)定性。張文裕是云室發(fā)明地——卡文迪什實(shí)驗(yàn)室出來(lái)的核物理博士，經(jīng)過(guò)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(jiān)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的。
實(shí)驗(yàn)的儀器原理如圖所示，宇宙射線中的μ子通過(guò)1米厚的鉛塊，大大放慢了速度，然后通過(guò)符合計(jì)數(shù)器和反符合計(jì)數(shù)器多次后，進(jìn)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(jí)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(duì)，由云室熒光屏上顯示出徑跡，而被觀測(cè)到。μ介子吸收實(shí)驗(yàn)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(dòng)化的云室可以自動(dòng)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(wàn)張照片，其中有效的達(dá)5000對(duì)張，其中的一張如圖所示。從照片上可以看出沒(méi)有一個(gè)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(shí)美國(guó)的上述流傳是沒(méi)有根據(jù)的。此外，他還發(fā)現(xiàn)在箔片上沒(méi)有由于負(fù)μ子的打擊而放出電子來(lái)，這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明負(fù)μ子不參與強(qiáng)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(guò)去費(fèi)米和惠勒說(shuō)的具有強(qiáng)相互作用，也就是說(shuō)它是輕子而不是強(qiáng)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(píng)論》雜志上發(fā)表了《用云室研究鋁、鐵、鉛箔對(duì)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(shí)，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(shuō)減慢的負(fù)μ子在靠近原子核時(shí)，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(shí)放出γ射線或光子。這個(gè)發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，負(fù)μ子進(jìn)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(duì)放出而被觀測(cè)到。宇宙線中的正μ子與原子核的電性相同而被排斥開(kāi)，不會(huì)被原子核俘獲，也不會(huì)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(guó)物理學(xué)會(huì)的會(huì)議上報(bào)告過(guò)他的研究結(jié)果，根據(jù)他的計(jì)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(duì)鋁、鐵、
鉛等停止負(fù)μ子的實(shí)驗(yàn)及其與γ射線的關(guān)系做了詳細(xì)的定量說(shuō)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(duì)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(zhǎng)篇論文，并且是在著名的《物理評(píng)論》上發(fā)表的。第一部分說(shuō)明他的實(shí)驗(yàn)花了2600有效小時(shí)，僅鋁箔實(shí)驗(yàn)就達(dá) 1500有效小時(shí)，據(jù)他本人向筆者介紹實(shí)際用的時(shí)間比這些要多3－5倍，拍照片5000多對(duì)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(dòng)。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)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(shuō)幾乎每俘獲一個(gè)μ負(fù)子就放出一個(gè)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(gè)驗(yàn)證是由雷恩瓦特(James Rainwater)1953年在加速器實(shí)驗(yàn)中證實(shí)的，系用加速器發(fā)射的負(fù)μ子束和碘化鈉能譜儀，通過(guò)μ子原子發(fā)出的X射線譜線進(jìn)行測(cè)量，得到明確的確認(rèn)。1964年以后，有些國(guó)家的研究組用半導(dǎo)體鍺和鋰檢測(cè)器以很高的精度做出嚴(yán)格的驗(yàn)證，得到國(guó)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(guó)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(lái)研究原子核，提出質(zhì)子和中子都會(huì)有一個(gè)由介于構(gòu)成的核心，在1961年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。我國(guó)高能物理學(xué)家李峨淼在1972年留學(xué)美國(guó)歸來(lái)時(shí)，曾對(duì)張文裕說(shuō)：“你發(fā)現(xiàn)的μ子原子，你種下的這棵樹(shù)，已經(jīng)開(kāi)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(shí)學(xué)習(xí)勤奮，成績(jī)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(zhǎng)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(fèi)，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(fèi)，到三年級(jí)時(shí)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(guó)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(guó)，在西南聯(lián)大任物理教授。1943年，到美國(guó)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(guó)成立后，擔(dān)任旅美中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合會(huì)主席的張文裕想回國(guó)投入祖國(guó)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(huì)晤中商定，繞經(jīng)歐洲歸國(guó)。他回國(guó)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(zhǎng)，1973年建立高能物理所就是出于他的動(dòng)議并任第一任所長(zhǎng)，直至退下來(lái)任名譽(yù)所長(zhǎng)。他是中國(guó)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(guó)科學(xué)家考察團(tuán)成員赴美后才解凍。每當(dāng)張先生回顧這段往事時(shí)，眼中總會(huì)泛著淚花，使筆者甚為感動(dòng)，為這位出身貧寒和頑強(qiáng)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(qiáng)子指參與強(qiáng)相互作用的粒子，這里指負(fù)μ子不是參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)子。
（摘自閻康年著“萬(wàn)物之理”一書(shū)）
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