3. 宇宙射線和正電子的發現
1932 年， 也是令物理學家激動的一年。由中子的發現所引起的興奮還沒有平靜， 一個新的奇跡又出現了。這次是來自宇宙射線這一領域。
宇宙射線的跡象， 最初是在觀測放射性現象時被科學家注意到的。1903 年， 盧瑟福和他的助手曾研究過這個問題。
他們發現， 在把所有放射源小心地移走以後， 實驗室裏的驗電器還會有離子產生， 大約每立方厘米範圍內， 每秒鍾會產生10 對離子。他們用鐵和鉛把驗電器完全屏蔽起來， 離子的產生幾乎可以減少10 。他們針對這種情況， 設想有某種貫穿力極強， 類似於γ射線的某種輻射從外麵進入了驗電器， 從而激發出第二次放射性。
這種設想引起了科學家們的注意， 希望能搞清這種輻射的真正來源。在這其中， 奧地利物理學家赫斯做出了重要貢獻。他是一位氣球飛行的業餘愛好者。這一特長正好在這項研究中發揮了作用。赫斯設計了一套裝置， 吊在氣球下， 裏麵主要是一隻密閉的電離室。電離室的壁厚足以抗一個大氣壓的壓差， 設置其中的靜電計可以直接記錄下輻射的情況。赫斯一共製作了10 隻偵察氣球， 每隻氣球都裝載有2 ～3 個能同時工作的電離室。1911 年， 赫斯的第一隻氣球升至1070 米的高度， 結果發現： 在這一高度以下， 靜電計記錄到的輻射同海平麵的情況差不多。第二年， 氣球達到5350 米的高度。這一次得到了較為精確的結果： 在距地麵800 米以上的空間， 輻射已略有增加； 在1400 ～2500 米之間， 輻射已顯然超過海平麵的情況； 到5000 米高空， 輻射已數倍於地麵。在這一年， 赫斯對上述結果作了一個解釋。他認為具有強大穿透力的輻射是從外界進入大氣的， 而不是來自太陽的輻射。
赫斯的工作引起了物理學家的極大興趣， 他們對這種來自外界的宇宙射線進行了研究， 特別關心宇宙射線的來源和它們的各種效應。
威爾遜雲室是分析宇宙射線的成分和性質的一個很好的工具， 它是英國物理學家威爾遜在1911 年發明的。威爾遜是由英國卡文迪許實驗室培養和訓練出來的一位實驗物理學家。他業餘時間對氣象有特殊愛好， 對雲霧現象的形成有濃厚的興趣。據說， 他是在仰望天空中雲層的形成時， 產生的靈感。因為大量潮濕的空氣在上升時， 在接觸到高處寒冷的稀薄空氣時， 會突然凝成白茫茫的一片雲霧。於是， 他回到實驗室， 進行模擬實驗， 讓潮濕的空氣膨脹， 產生人工雲霧。實驗中， 他發現在塵埃完全清除的密室裏， 如果空氣膨脹比足夠大， 也可能出現雲霧。他利用這一發現， 發明了精巧的雲室。它的原理並不複雜， 在我們日常生活中也能接觸到。在悶熱的天氣裏， 人們常常可以見到浴室裏“出汗”的自來水管。自來水管“出汗”是由於浴室裏水汽密度很大， 已接近室溫下的飽和點。當自來水管中流過涼水時， 自來水管管壁的溫度低於室溫， 使它附近的水汽過飽和因而在自來水管壁上凝結出水珠來。威爾遜雲室就是利用過飽和水汽凝結在物體上的原理製成的。它是一個充滿水汽的容器， 當在很短的時間間隔裏使雲室容積膨脹時， 由於水汽突然擴散， 溫度就立即降低。這樣， 雲室內的水汽就過飽和了。如果此時有一個帶電粒子通過雲室， 它就會在它的運動軌道上與氣體分子碰撞， 使氣體分子電離為正負離子， 這些離子正好充當過飽和水汽的凝結中心。雲室中， 就會沿著粒子徑跡出現一條由水珠連成的線， 用強光照射可拍攝下這條粒子的徑道。由於雲室能直接顯示粒子運動的徑跡， 所以它一經被發明出來， 就成了研究核物理的重要工具， 在物理學發現中作出了貢獻。
安德遜發現正電子就有雲室的功勞。安德遜是美國著名的物理學家密立根的學生， 從1930 年起就跟隨密立根從事宇宙射線的研究工作。他們用雲室觀察宇宙射線時， 在雲室中間放置了一塊6 毫米厚的鉛板， 當粒子穿過鉛板時， 會因為電離碰撞而損失能量。這樣粒子在進入雲室後， 它在鉛板兩側的能量是不同的， 它的徑跡也會有所差異， 從而可鑒別出粒子的相關性質。一個帶電粒子的能量越小， 它在磁場中的徑跡就彎曲得越厲害， 曲率就越大。所以他們把雲室置於強磁場中， 可以根據鉛板兩側粒子徑跡曲率的不同， 判斷出粒子的運動方向， 同時根據粒子徑跡彎曲的方向， 可以判定粒子的電荷性質。
安德遜在實驗時， 不間斷地每15 秒鍾對雲室拍一次照。一次實驗下來， 得到相當大數量的照片， 對實驗觀測結果的分析是一項既艱苦又非常需要細致、耐心的工作。1932 年， 安德遜在認真察看幾千張雲霧照片時， 發現一張照片上有一條徑跡是陌生而奇特的。這條徑跡的形狀與電子的徑跡有些相似， 但是從照片上可以通過穿過鉛板留下的徑跡分析出它的運動方向。鉛板下方粒子的徑跡要比鉛板上方變得彎曲。可以判斷的粒子是由上而下運動的。它的運動方向與電子相反， 表明它是一個帶正電的粒子， 我們知道質子也帶正電， 但是安德遜發現的這條奇特徑跡的霧珠密度與已知的質子徑跡完全不符， 這從徑跡的粗細和長度上可以判斷出來。顯然， 這是一種新粒子， 它不可能是質子， 卻又像是電子。這張照片讓安德遜一夜沒有合眼。終於， 他斷定這是一個帶正電的電子。它與電子質量相等。但電荷相反， 所以， 它被稱為正電子。
由於發現宇宙射線和正電子的功績， 赫斯與安德遜共享了1936 年的諾貝爾物理學獎。
和許多物理學上的發現一樣， 在安德遜發現正電子之前， 其他一些物理學家在已經得到的一些雲室照片中也發現了正電子的徑跡。隻是當時這些徑跡要麽沒有引起他們的注意而放過； 要麽是作了錯誤的解釋而錯過。在這些物理學家當中， 比較有名氣的是小居裏夫婦。他們在安德遜之前， 在研究用釙轟擊鈹來產生輻射的實驗中， 就通過雲室觀察到了正電子的徑跡。然而， 他們把它理解為向放射源移動的電子， 而不是從源發出的正電子。真是太遺憾了！ 1932 年， 他們由於不知道關於中子存在的猜測， 而眼睜睜地失去了一次重大發現的機會。小居裏夫婦後悔失去的不隻是中子的發現， 還應該有正電子呢！ 好在， 約裏奧-居裏夫婦是經得起挫折的， 他們具有鍥而不舍的精神。1933 年4 月， 他們又運轉起自己的雲室， 在後來的實驗中記錄到了單個正電子。
可見， 物理實驗是物理學發現的基礎。但是， 物理實驗絕不單是操作問題， 正確地理解實驗的結果， 合理解釋實驗的結果， 是至關重要的。弄不好， 重要發現就從鼻子尖底下偷偷地溜走了。
正電子的發現， 又開闊了物理學家的眼界。它不僅僅使人們又認識了一個新粒子， 而且它是一種已知粒子的反粒子。正電子就成為大量粒子及其反粒子發現的開端。
宇宙射線的跡象， 最初是在觀測放射性現象時被科學家注意到的。1903 年， 盧瑟福和他的助手曾研究過這個問題。
他們發現， 在把所有放射源小心地移走以後， 實驗室裏的驗電器還會有離子產生， 大約每立方厘米範圍內， 每秒鍾會產生10 對離子。他們用鐵和鉛把驗電器完全屏蔽起來， 離子的產生幾乎可以減少10 。他們針對這種情況， 設想有某種貫穿力極強， 類似於γ射線的某種輻射從外麵進入了驗電器， 從而激發出第二次放射性。
這種設想引起了科學家們的注意， 希望能搞清這種輻射的真正來源。在這其中， 奧地利物理學家赫斯做出了重要貢獻。他是一位氣球飛行的業餘愛好者。這一特長正好在這項研究中發揮了作用。赫斯設計了一套裝置， 吊在氣球下， 裏麵主要是一隻密閉的電離室。電離室的壁厚足以抗一個大氣壓的壓差， 設置其中的靜電計可以直接記錄下輻射的情況。赫斯一共製作了10 隻偵察氣球， 每隻氣球都裝載有2 ～3 個能同時工作的電離室。1911 年， 赫斯的第一隻氣球升至1070 米的高度， 結果發現： 在這一高度以下， 靜電計記錄到的輻射同海平麵的情況差不多。第二年， 氣球達到5350 米的高度。這一次得到了較為精確的結果： 在距地麵800 米以上的空間， 輻射已略有增加； 在1400 ～2500 米之間， 輻射已顯然超過海平麵的情況； 到5000 米高空， 輻射已數倍於地麵。在這一年， 赫斯對上述結果作了一個解釋。他認為具有強大穿透力的輻射是從外界進入大氣的， 而不是來自太陽的輻射。
赫斯的工作引起了物理學家的極大興趣， 他們對這種來自外界的宇宙射線進行了研究， 特別關心宇宙射線的來源和它們的各種效應。
威爾遜雲室是分析宇宙射線的成分和性質的一個很好的工具， 它是英國物理學家威爾遜在1911 年發明的。威爾遜是由英國卡文迪許實驗室培養和訓練出來的一位實驗物理學家。他業餘時間對氣象有特殊愛好， 對雲霧現象的形成有濃厚的興趣。據說， 他是在仰望天空中雲層的形成時， 產生的靈感。因為大量潮濕的空氣在上升時， 在接觸到高處寒冷的稀薄空氣時， 會突然凝成白茫茫的一片雲霧。於是， 他回到實驗室， 進行模擬實驗， 讓潮濕的空氣膨脹， 產生人工雲霧。實驗中， 他發現在塵埃完全清除的密室裏， 如果空氣膨脹比足夠大， 也可能出現雲霧。他利用這一發現， 發明了精巧的雲室。它的原理並不複雜， 在我們日常生活中也能接觸到。在悶熱的天氣裏， 人們常常可以見到浴室裏“出汗”的自來水管。自來水管“出汗”是由於浴室裏水汽密度很大， 已接近室溫下的飽和點。當自來水管中流過涼水時， 自來水管管壁的溫度低於室溫， 使它附近的水汽過飽和因而在自來水管壁上凝結出水珠來。威爾遜雲室就是利用過飽和水汽凝結在物體上的原理製成的。它是一個充滿水汽的容器， 當在很短的時間間隔裏使雲室容積膨脹時， 由於水汽突然擴散， 溫度就立即降低。這樣， 雲室內的水汽就過飽和了。如果此時有一個帶電粒子通過雲室， 它就會在它的運動軌道上與氣體分子碰撞， 使氣體分子電離為正負離子， 這些離子正好充當過飽和水汽的凝結中心。雲室中， 就會沿著粒子徑跡出現一條由水珠連成的線， 用強光照射可拍攝下這條粒子的徑道。由於雲室能直接顯示粒子運動的徑跡， 所以它一經被發明出來， 就成了研究核物理的重要工具， 在物理學發現中作出了貢獻。
安德遜發現正電子就有雲室的功勞。安德遜是美國著名的物理學家密立根的學生， 從1930 年起就跟隨密立根從事宇宙射線的研究工作。他們用雲室觀察宇宙射線時， 在雲室中間放置了一塊6 毫米厚的鉛板， 當粒子穿過鉛板時， 會因為電離碰撞而損失能量。這樣粒子在進入雲室後， 它在鉛板兩側的能量是不同的， 它的徑跡也會有所差異， 從而可鑒別出粒子的相關性質。一個帶電粒子的能量越小， 它在磁場中的徑跡就彎曲得越厲害， 曲率就越大。所以他們把雲室置於強磁場中， 可以根據鉛板兩側粒子徑跡曲率的不同， 判斷出粒子的運動方向， 同時根據粒子徑跡彎曲的方向， 可以判定粒子的電荷性質。
安德遜在實驗時， 不間斷地每15 秒鍾對雲室拍一次照。一次實驗下來， 得到相當大數量的照片， 對實驗觀測結果的分析是一項既艱苦又非常需要細致、耐心的工作。1932 年， 安德遜在認真察看幾千張雲霧照片時， 發現一張照片上有一條徑跡是陌生而奇特的。這條徑跡的形狀與電子的徑跡有些相似， 但是從照片上可以通過穿過鉛板留下的徑跡分析出它的運動方向。鉛板下方粒子的徑跡要比鉛板上方變得彎曲。可以判斷的粒子是由上而下運動的。它的運動方向與電子相反， 表明它是一個帶正電的粒子， 我們知道質子也帶正電， 但是安德遜發現的這條奇特徑跡的霧珠密度與已知的質子徑跡完全不符， 這從徑跡的粗細和長度上可以判斷出來。顯然， 這是一種新粒子， 它不可能是質子， 卻又像是電子。這張照片讓安德遜一夜沒有合眼。終於， 他斷定這是一個帶正電的電子。它與電子質量相等。但電荷相反， 所以， 它被稱為正電子。
由於發現宇宙射線和正電子的功績， 赫斯與安德遜共享了1936 年的諾貝爾物理學獎。
和許多物理學上的發現一樣， 在安德遜發現正電子之前， 其他一些物理學家在已經得到的一些雲室照片中也發現了正電子的徑跡。隻是當時這些徑跡要麽沒有引起他們的注意而放過； 要麽是作了錯誤的解釋而錯過。在這些物理學家當中， 比較有名氣的是小居裏夫婦。他們在安德遜之前， 在研究用釙轟擊鈹來產生輻射的實驗中， 就通過雲室觀察到了正電子的徑跡。然而， 他們把它理解為向放射源移動的電子， 而不是從源發出的正電子。真是太遺憾了！ 1932 年， 他們由於不知道關於中子存在的猜測， 而眼睜睜地失去了一次重大發現的機會。小居裏夫婦後悔失去的不隻是中子的發現， 還應該有正電子呢！ 好在， 約裏奧-居裏夫婦是經得起挫折的， 他們具有鍥而不舍的精神。1933 年4 月， 他們又運轉起自己的雲室， 在後來的實驗中記錄到了單個正電子。
可見， 物理實驗是物理學發現的基礎。但是， 物理實驗絕不單是操作問題， 正確地理解實驗的結果， 合理解釋實驗的結果， 是至關重要的。弄不好， 重要發現就從鼻子尖底下偷偷地溜走了。
正電子的發現， 又開闊了物理學家的眼界。它不僅僅使人們又認識了一個新粒子， 而且它是一種已知粒子的反粒子。正電子就成為大量粒子及其反粒子發現的開端。
