[提要] 五十年前，原子核物理学从发现中子、正电子、氚核开始诞生，伟大的科学时代从制造第一台粒子加速器开始形成。

在科学上人们常常难于断定特殊学科诞生的年代。科学史家对重要的发现经常改变立场，作出比较重要的评价。原子核物理学就是恰当的例子。有的人想以进入本世纪以前伯克瑞尔（Henri Becquerel）发现放射性定为本学科的开端，有的人认为1911年卢瑟福发现原子核是核物理诞生的确证。总之，大家认为1932年是非常重要的一年，这一年发现了中子、正电子和氘核，同时还建造了第一台粒子加速器。

在二十年代理论物理学发展很快。1913年波尔（Niels Bohr）提出的原子论，得出了合理的结论，1925 ~ 26年创立了量子力学。这新理论有利于理解原子物理和物质结构方面长期存在的很多难题。经过十多年的实验，理论得到了证明。到二十年代末有这样一种感觉：通过实验而发现的新时代出现了，技术革新需要充分利用理论物理学的进步。

同期，物理研究经过了一次广泛的人口统计的变化。原子论首先在哥本哈根、剑桥、哥廷根发展，到二十年代末期主要的研究中心才开始在美国和欧洲出现，其科学家有罗马的费米（Enrico Fermi）、巴黎的若利欧居里（Frederic Joliot-Curie）和居里夫妇之女艾琳（Irene Joliot-Curie），新中心的物理学家在周围投射，探测不规则区。研究原子核和宇宙线似乎是最有前途的。

在剑桥建立了非常可靠的卡文迪许研究所，由卢瑟福指导。1932年研究所传出了最重大的事件。查德威克（James Chadwick）发现中子，使长期而复杂的一系列事件达到顶点。那时，物理学家认为原子核是由带正电荷的重质子（氢核）和较轻的负电子组成，就是还有围绕原子核的电子。实际上质子被认为是整个原子量，当电子有足够的数目恰好使质子保持平衡时，原子核上才产生观察电荷。它的数量和绕电子轨道的总电荷相同，称为原子电荷。这个简单的假设似乎真实，但在开始进入本世纪时，冷衰变的发现表明，原子核能放出电子，其他的研究也表明，原子量非常接近质子质量的整倍数。虽有简单明了的图引起兴趣，但出现了困难，最严重的还是核稳定性问题。根据1927年海森伯格（Werner Hei-senberg）提出的所谓测不准原则，把电子限制在原子核那么小的体积内，这意味着不确定性更大，同样也意味着电子的能量太高。不能保持在大于零点几秒的原子核内。

解决这些问题不能离开理论。实际上，核结构的关键问题卢瑟福早已提出来了。在1920年的贝克讲演（Bakerian Lecture）中，他预测到有中性粒子存在，质量和中子差不多，由一个氢原子组成，单个电子集中在原子核内唯一的质子里。卢瑟福断言：“既然有这种原子存在，就必须对重元素原子核的组成加以说明。”（Proceeding of Royal Society，vol. A97 p. 374）二十年代初期，卡文迪许研究所的研究人员设法用强电流通过氢放电管，探测假设“中子”的形成，但没有成功。

1930年，在柏林研究的博思（Walther Bothe）和贝克尔（H. Becker）报道了一种奇特的结果。他们用α粒子（氦核）轰击铍，发现铍能放射出穿透本领很强的中性辐射。两个德国物理学家把它认为是γ射线——高能电磁辐射。γ射线的能量似乎比易发生的α射线约高十倍。显然，结论十分令人怀疑31932年，若利欧居里报道了更加使人惊讶的结果，铍放射的穿透辐射可以使石蜡吸收装置射出大量的质子流——研究人员把这种现象看作是γ辐射引起的一种质子散射，表面上看大于百万倍，很可能同我们后来知道的散射过程相似。

1932年1月下旬，若利欧居里的论文送到卡文迪许研究所时，据说卢瑟福大声说：“我不相信。”查德威克也不相信。经过几天思索后，他重复做了同样的实验，他确信这奇怪的“7辐射”不是别的，正是卢瑟福假设的中子。1932年2月17日，查德威克给自然杂志（Vol. 129 p. 312）寄了一封快信。信的开头就谈到若利欧居里的研究成果，他的结论是：“假定辐射是质数为1的粒子和电荷数为0（即中子）组成的，疑难问题就解决了。”

发现中子立即得到了承认。由于图上增添了中子，无需假定原子核内有电子存在，说明原子核时也不必怀疑量子力学的确实性。中子不仅开辟了核结构和核力性质的研究，而且由于中子的质量大和零电荷，为穿透原子核蜕变原子核提供了强有力的工具。中子的发现和同年的另一个发现这两个加起来就具有特殊的意义。在查德威克寄信给自然杂志的前一天，美国《物理评论》杂志收到了尤里（Harold Urey），布里克韦德（Ferdinand Brickwedde），墨菲（G. M. Murphy）三人合写的一篇论文，他们报道了质量数为2的氢同位素——即一个原子核的电荷相同，质量为普通氢的两倍。这一发现结束了多年来对氢同位素的推测。

早在1919年，德国法兰克福的研究人员对氢是否是两个同位素的混合物进行了实验，他们的方法是集中到更重的同位素上，但没有充分地进行探测。二十年代末期，提供了一个非常重要的线索，进一步测量表明：氢原子量同化学方法测定的有微小的差异。阿斯顿（Francis Aston）用质谱仪发现的价值是通过电磁场的组合测量离子的偏移。加利福尼亚州伯克利市的两个物理学家伯奇（Baymond Birge）和门泽尔（D. H. Menzel）指出，假若氢的样品有一个同位素，其比例约为1：4500。这个差异就可以得到解释。哥伦比亚大学尤里决定，在将近三态点时用直接分馏氢的方法寻找“重氢”——温度和压力与结合氢会在液态和气态下存在。尤里认为，更重的同位素不大可能蒸发，将其浓缩，容易测量。美国标准局布里克德准备了各种不同浓度的样品，尤里和他的助手墨菲一一进行了光谱分析。他们发现，想找重氢（若干所谓巴尔默系）的有些最强的光谱线非常明显，恰巧是在被预测的位置，证明一定有新的同位素存在。

重氢的发现，特别是重氢核的发现，在核物理学上的意义重大。重氢核（氘核）由一个质子和一个中子组成（质子和中子联系紧密），质量数为2，而电荷数为1。1932年6月，查德威克在第二次发表的中子论文中指出，重氢核像α粒子（两个质子和两个中子）一样，很可能形成最重要的原子核构造单位。它的意义比成对核结构更重大，重氢核可能产生核力。除了标准氢之外，所有其他的原子核都是由三个或三个以上的完全密封的核子（质子和中子）组成，对动力学的多体系统不可能有恰当的分析方法。所以在重氢核内中子和质子的简单组合，为研究联结所有的原子核的强相互作用的通性提供了一个理想的实验依据。在三十年代的十年中，用很多同样的方法，氢原子已变成以实验为基础的试验场，所以重氢核在核物理学中起了核心作用。

在1932年9月宣布发现另一种新粒子以前，物理学家几乎没有进一步研究中子和重氢核。

加利福尼亚工学院安德森（Carl D. Anderson）一直在研究宇宙在云室产生的径迹（云室是一种气匣，气体迅速膨胀时带电粒子就形成液滴径迹）。他找到一个有力的使人信服的证据：粒子的质量与电子相似，但电荷大小相等方向相反——换句话说是正电子。物理学家对这项发现表示了热烈的祝贺，但还有困惑之点。中子和重氢核的存在至少用了十多年才探测出来，每项发现都排除了若干阻碍核物理进步的障碍。但是，正电子并不是真正需要的东西；的确，一切物质都由三种基本粒子组成：质子、中子、电子。这使图形复杂化了。

在安德森这项发现时，没有几个人知道理论物理学已预言过有正电子存在。1928年，在剑桥从事研究工作的狄拉克（Paul Dirac）发表一种获得了辉煌成功的电子相对论，但当时受到了难于解决的问题的干扰。狄拉克的形式论预言道：电子不仅应该吸收正能态，而且应该吸收似乎不是物理学上的负能态。他认为，虽然有时能把正能态腾空，但负能态常被占据，结果产生一个“洞”，当电子为负时，洞就同负电荷有关。物理学家试图把这些洞看成与质子等同，但韦尔（Hermann Weyl）证明其质量必须和电子一样。

狄拉克解决的办法十分清楚，在1931年9月发表的一篇论文中（Proceeding of the Royal Society Vol. A133 p. 60）他谈到了负能态的问题。“假如有一个洞，那个洞就是实验物中还不知道的一种新粒子，同电子的质量相同，电荷方向相反，我们可以把这种粒子叫作反电子。”同时他还进一步预言：通过实验来证明则需要较长的时间（24年），“推测起来，质子有自己的负态……未被占据的洞会表现为反质子。”

安德森全然不知道狄拉克的研究成果，1930年春，他开始对云室作强磁场试验，希望揭示宇宙线的性质。为此，他着手测定引入宇宙线所产生次级电子的能谱。他经常收集并分析了云室磁场形成的几千幅径迹图。很多径迹揭示了正电粒子，但有几个特别轻，又不像质子，又不像α粒子。这些径迹的形成按理是云室中移动的方向相反（自下）的负电子，而不是自上的正粒子。为了解决这个问题，安德森把一块薄铅板水平地放入云室内，1932年8月2日他得到了一张清晰的有少量正电粒子的图，当粒子在下面通过铅板时就失去能量。安德森给《科学》杂志写了一封短信，并附上《物理评论》发表的一篇详细论文，描述了他的发现：“由此可以断定，今后我们集中研究正电子电荷的大小很可能等于自由阴电子，从对称性来看，可以把阴电子命名为负电子。”

安德森对正电子性质下的总的结论是正确的，但对它产生的机理的解释，类似于他对电子的命名法，是不恰当的。安德森认为原始宇宙线撞击原子核内的中子，使它衰变成正电子和反质子。他鼓励物理学家去寻找反质子的证据，因为他还不知道狄拉克在一年多以前就预测到有反质子的存在。以后不久，布莱克特（P. M. S. Blackett）和奥基厄利尼（G. Occhialini）不仅正确解释了正电子产生的机理，而且把正电子和狄拉克理论结合起来了。1932年夏，卡文迪许研究所这两位物理学家已研制了一种新的而又更加有效的自动云室，这就使他们在安德森宣布的年代能证明有正电子存在。布莱克特和奥基厄利尼认为电子和正电子的成对产生完全是由于在原子核旁边有穿过的高能y射线。这个假设不仅符合狄拉克理论，而且为其预测提供了确实可靠证据。

特殊径迹

后来才知道，研究宇宙线的其他几个组早就给正电子拍了照片，但未注意有特殊径迹。不幸的约利奥居里，在用α粒子研究铍核衰变时，于1931年下半年已经观察到正电子径迹，就是没有发现中子。他们当时认为是向铍源移动的杂散电子，没有继续研究这些径迹。布莱克特以同样惋惜的心情评论道，1932年夏天，奥基厄利尼休假如果不那么长，他们就会在安德森之前发现正电子。尽管这是完全可能的，但布莱克特和奥基厄利尼研制的自动云室，对宇宙线的研究可能比发现正电子的意义还要更深远。从1912年威尔逊（C. T. R. Wilson）发明第一个云室以来，还没有办法知道宇宙线是不是真的穿过了云室，因此收集到有用的图片是相当偶然的。布莱克特和奥基厄利尼共同想出了一个方法，将测试仪安到云室上下，只要宇宙线一到，就会引起云室爆炸。宇宙线就这样自动拍照。这个方法比安德森和其他人用的云室效率提高五十倍左右。

发现中子和正电子之后，在一年之内已知基本粒子的数目翻了一番，由两个增加四个。并且由探测重氢开始研究最简单的复核。同年，在核物理的技术和仪器方面又有重大的进步。几乎完全依靠自然发生的放射性源使核物理的进步受到严重的限制，最贵重的镭，大约是十万美元一克，价格太贵，大多数实验室不能用来产生很强的辐射束。而且镭放射出的α粒子的能量只能穿透和衰变最轻的元素。

物理学家不久就认识到：需要制造几个装置，将大量的带电粒子加速成高能。明显的方法是产生强大的电场——“肥皂箱的一百万伏”是卢瑟福单位*。在二十年代，研究人员尝试各种可能的办法，大多数技术在未达到高压时就受到电晕放电或绝缘击穿的限制。有人很莽撞，想用暴雨中的云作高压动力，结果被雷击，使一个物理学家丧生。

1928年，情况有了好转。俄国物理学家加莫夫（George Gamow），美国物理学家康登（Edward Condon）和格尼（Ronald Gurney）都表示，低能带电粒子的确有穿透原子核引起衰变的可能性。在这种理论根据的鼓舞下，卡文迪许研究所的考克洛夫特（John Cockroft）和瓦尔顿（E. T. S. Walton）决定制造质子加速器，使用经过多次试验证明的倍压器技术。在这个装置内，四级排列的电容器和电子管将较小的输入电压扩大到大约700千伏的电位，在放电管里对质子加速。1932年初，考克洛夫特和瓦尔顿将锂靶放在放电管末端，打开质子束，在硫化锌荧光屏上看到了同样的闪烁现象、有α粒子的性质。质子把锂核分成两个α粒子。在加速器史上这是首次完全控制的核转变，它标志着迈出了有重大意义的第一步。

尽管是初次成功，但考克洛夫特 - 瓦尔顿加送器（高压倍加器）很快就被发明的圆形磁性加速器——回旋加速器取代了，因为回旋加速器避免了很多产生高压的问题。1929年初，美国物理学家劳伦斯（Ernest Lawrence）看到挪威电气工程师威德雷（Rolf Widerne）的一篇论文，受到启发，使他认识到：如果磁场里的带电粒子一直作圆周运动，那么每一级的带电粒子都能加速。交变电压每半圈能给粒子一个冲击。粒子会获得递增能并在扩大的圆周上运动，这就是累积效应。美好的愿望来源于多次加速，它表明只需要较低的工作电压。劳伦斯制作了一个小型的工作模型。他带的研究生利文斯顿（M. Stanley Livinston）说，产生80 kV质子才使用了那个装置。劳伦斯和利文斯顿没有在这阶段上进行实验原子核的研究，而是继续迈进，他们制造了一台大型的回旋加速器，磁极由4吋扩大到11吋。但是，这台大型回旋加速器的射束在质子达到最大能量之前就散焦，猛烈地撞到加速室壁上，其原因不明。劳伦斯和利文斯顿花了几个月时间修整，经过一系列试探性实验，最后才使射束聚焦复原。1932年2月，他们巧妙地做成了这台回旋加速器，达到了一兆伏（MV）的标准，真是不可思议。

考克洛夫特和瓦尔顿用400千伏（KV）低能衰变锂核成功的消息不久就传到了加利福尼亚州伯克利市劳伦斯研究所。该结果用回旋加速器很快就得到了证实，以后不久各种元素都能用高能质子束轰击。1933年3月，劳伦斯收到了化学家路易斯（Gilbert Lewis）寄去的少量重水样品。仅仅在尤里发现重氢一年多点，他用重氢在回旋加速器里产生了氘核束。高能氘核开创了各种各样的新型核反应，很多核反应又产生了中子。

伯克利回旋加速器开创了核物理学的新纪元。到1936年，全世界大约有20台回旋加速器，有的正在使用，有的正在安装。按当时的标准，每台复杂的回旋加速器都需要很多物理学家和工程技术人员，还需要大量的基本投资。伟大的科学时代开始了。新的一批物理学家把集体智慧引向了吸引人的核物理学的新领域，解释核物理学最本质的问题，探求原子核的结构和性质。

1932年的几项突破，对早期原子核物理学的发展有极其重大的意义。总的意义可以用他们取得的丰硕成果来衡量，他们都获得了诺贝尔奖。查德威克发现中子获得了诺贝尔物理奖，安德森仿效别人而发现正电子、获得1936年诺贝尔物理奖，尤里发现重氢获得1934年诺贝尔化学奖。回旋加速器制造者也得了奖：劳伦斯发明回旋加速器获得1937年诺贝尔物理奖。但是，考克洛夫特和瓦尔顿的研究成果，到1951年才得到重视。布莱克特于1932年研制成功的自动云室，获得了1948年诺贝尔物理奖。1932年是物理学上创奇迹的一年。

[New Scientist，1982年2月]

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* 放射性强度单位，等于10⁶衰变/秒译注。