宇宙射线和正电子

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1、1936年诺贝尔物理学奖一半授予奥地利茵斯布拉克(Innsbruck ) 大学的赫斯(Victor Franz Hess， 18831964)，以表彰他发现了宇宙辐射；另一半授予美国加利福尼亚州帕萨迪那加州理工学院的 C.D.安德森(Carl David Anderson，18831964)，以表彰他发 现了正电子。赫斯赫斯1883年6月24日出生于奥地利斯泰尔马克地区佩格(Peggau)附近的瓦德斯泰因城堡(Waldstein Castle)。他的学生 时代都是在格拉茨(Graz)度过的，1893年1901年进格拉茨中 学，1901年一一1905年进格拉茨大学，1910年在格拉茨大学获博士

2、学位。赫斯在维也纳物理研究所工作了很短一段时间，在那里，冯施 韦德莱(Von Schweidler )教授向他讲授了放射性领域的新发现。1910 年1920年间，赫斯在维也纳科学院镭学研究所当迈耶(S.Meyer ) 的助手。1919年，他由于发现了 “超级辐射”(宇宙辐射)而获利 本(Lieben )奖，次年成为格拉茨大学特聘实验物理学教授。宇宙辐射的发现宇宙辐射也叫宇宙线或宇宙射线。在现代物理学发展史中，宇宙 射线的研究占有一定的地位，许多新的粒子都是首先在宇宙射线中发 现的。例如：用云室发现了正电子、口介子等，用原子核乳胶发现了 n介子等。在高能加速器未出现以前，人们只有靠天然的源泉进行

3、研 究，而宇宙射线就是理想的观测对象，它具有高能量、低强度的特点， 很便于观测。所以它一经发现，就成为人们竞相研究的对象。宇宙射线的迹象早在最初运用游离室观测放射性时就被人们注 意到了。当初曾一度认为验电器的残余漏电是由于空气或尘土中含有 放射性物质。1903年，卢瑟福和库克(H.L.Cooke)曾研究过这个问 题。他们发现，如果小心地把所有放射源移走，在验电器中每立方厘 米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。他们用铁和铅把验电器 完全屏蔽起来，离子的产生几乎可减少十分之三。他们在论文中提出 设想，也许有某种贯穿力极强，类似于Y射线的辐射从外面射进验电 器，从而激发出二次放射性。为了搞清这个

4、现象的缘由，莱特(Wright )于1909年在加拿大 安大略(Ontario)湖的冰面上重复上述实验，游离数略有减小，看 来可能是离地面远的原因。1910年法国的沃尔夫(F.T.Wulf )在巴 黎300 m高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残 余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64%，比他预计的10% 要高。他认为可能在大气上层有Y源，也可能是Y射线的吸收比预期 的小。1910年1911年，哥克尔(A.Gockel )在瑞士的苏黎世让 气球把电离室带到4500 m高处，记录下几个不同高度的放电速率。 他的结论是：“辐射随高度的增加而降低的现象比以前观测到的 还要显著。

5、”人们对这一反常辐射的来源莫衷一是，但占上风的还是来源于地 上的看法。最好是作出更可靠的实验予以证实。奥地利物理学家赫斯正好是一位气球飞行的业余爱好者。他设计 了一套装置，吊在气球下，里面主要是一只密闭的游离室，壁厚足以 抗一个大气压的压差，静电计的指示经过温度补偿，直接记录。他一 共制作了十只侦察气球，每只都装载有23台能同时工作的游离室。1911年，第一只气球升至1070 m高，结果是在那一高度以下， 辐射与海平面差不多。翌年，气球达到5350 m,得到精确的结果是： 起初游离电流略有下降，800 m以上似乎略有增加，在1400m2500 m之间显然超过海平面的值，到5000 m已数倍于地

6、面。赫斯在1912 年在物理学杂志发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射” 的论文，结尾写道：“这里给出的观测结果所反映的新发现，可以用下列假设作出最 好的解释，即假设强大穿透力的辐射是从外界进入大气的，并且甚至 在大气底层的计数器(指游离室)中都会产生游离。辐射的强度似乎 每小时都在变化。由于我在日蚀时或在晚间进行气球放飞都未发现辐 射减少，所以我们很难考虑太阳是辐射的来源。”1914年，德国物理学家柯尔霍斯特(W.Kolhorster )将气球升 至9300 m,游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。赫斯的发现引起了人们的极大兴趣，从那时开始，科学界对宇宙 射线的各种效应和起源问

7、题进行了广泛的研究。C.D.安德森C.D.安德森1905年9月3日生于美国纽约市，父母是瑞典人。 安德森的大半生是在美国度过的。他1927年毕业于加州理工学院, 取得了物理与工程学士学位，1930年在该学院获哲学博士学位。1930 年一一1933年间，安德森是该学院的研究员，后来在1933年成为物 理学副教授，1939年任物理学教授。第二次大战的几年中(1941年 1945年)，他积极参加了国防研究委员会和科学研究发展部的 工作。他的早期研究属于X射线领域。为准备他的博士论文，他研究了 X射线使各种气体放出的光电子在空间的分布。1930年，他和密立根 教授一起从事宇宙射线的研究，正是由于这项工

8、作他在1932年发现 了正电子。他研究过宇宙射线粒子的能量分布和高速电子在穿过物质 时的能量损耗。1933年，他和内德梅厄(Neddermeyer)一起首次直 接证实了从ThC放出的Y射线穿过物质时会产生正电子。从1933 年起，他从事辐射和基本粒子方面的工作。从1921年到1923年，赫斯获假到美国工作，担任美国新泽西州 奥伦奇镭学公司的研究实验室主任和华盛顿特区美国内政部(矿务 局)的物理学顾问。正电子的发现研究宇宙射线的第一项引人注目的成果是正电子的发现。这是由 C.D.安德森在1932年作出的。C.D.安德森是美国加州理工学院物理 教授密立根(R.A.Millikan )的学生，从19

9、30年开始跟密立根做宇 宙射线的研究工作。尽管密立根对宇宙射线的起源的见解后来证明是 错误的，但他和他的学生们在宇宙射线的研究方面作出过许多贡献， 发展了观测宇宙射线的各种实验技术，并且组织过多次科学考察C.D.安德森1930年起就负责用云室观测宇宙射线。云室置于磁场中。为 了鉴别粒子的性质，在云室中安有几块金属板，粒子穿过金属板，就 可以区别其能量。1932年8月2日，C.D.安德森在照片中发现一条 奇特的径迹，与电子的径迹相似，却又具相反的方向(图36-1 ), 显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他 果断地得出结论，这是带正电的电子。当时C.D.安德森并不了解狄 拉

10、克的电子理论，更不知道他已经预言过正电子存在的可能性。狄拉 克是在他的相对论电子理论中作出这一预言的。从他的方程式可以看 出，电子不仅应具有正的能态，而且也应具有负能态。他认为这些负 能态通常被占满，偶而有一个态空出来，形成“空穴”，他写道：“如 果存在空穴，则将是一种新的，对实验物理学来说还是未知的粒子， 其质量与电子相同，电荷也与电子相等，但符号不同。我们可以称之 为反电子。”他还预言：“可以假定，质子也会有它自己的负态。 其中未占满的状态表现为一个反质子。”关于反质子的预言，到1945 年才由西格雷(Emilio Segr e)证实。1932年使用云雾室从宇宙射线中发现了电子的反粒子一正

11、电子,这是第一次证实自然界确有反粒子存在。关于正电子产生的机理，C.D.安德森解释错了。他认为，初级宇 宙射线撞击到核内的一个中子，会使中子分裂成为正电子和负质子。 为此，他还建议实验家寻找这种“负质子”。稍晚才由布拉开特(P.M.S.Blackett)和奥恰利尼(G.P.S.Occhialini)从簇射现象的 观测搞清正电子产生的机理。他们用盖革计数器自动控制云室，首次 看到了正负电子对的产生。他们正确地解释簇射现象是由于Y射线从 原子核近旁通过时，能化为正、负电子对，同时又有更多的Y射线产 生，从而产生雪崩现象。正电子的发现，对研究光与实物之间的转变有重要意义，使人们 对“基本粒子”的认识有了一次质的飞跃。由于宇宙射线和正电子的发现有密切联系，所以诺贝尔委员会把 1936年诺贝尔物理学奖授予这两个相关的项目，而布拉开特因改进 云室技术和由此作出有关核物理和宇宙射线的一系列新发现而获 1948年诺贝尔物理学奖。