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王淦昌与中微子的早期研究.24894116


王淦昌先生是当代中国最杰出的物理学家之一。 在长达六十余年的科学研究生涯中, 王淦昌 先生取得了许多重大的科学成就。 五十年代末, 他领导的科研小组在世界上首次发现了反西 格马负超子,并获得1982年国家自然科学一等奖;六十年代,他参加试制原子弹和氢弹 的研究和组织工作,是国内外公认的两弹元勋之一,并被称为“中国的奥本海默” ;他是我 国核物理学和粒子物理学的主要奠基人之一; 他和前苏联巴索夫院士同时独立地提出用激光 打靶实现核聚变的创议,是我国激光、等离子体物理等领域的开拓者。而在中微子的早期研 究方面, 王淦昌先生的贡献也是十分突出的, 他对β 谱和中微子验证的研究是现代物理学的 重要成就, 早在40年代初就被载入美国出版的百年来科学大事记, 为中华民族赢得了崇高 的荣誉。由于种种复杂的历史原因,长期以来,王淦昌的这些成就在物理学史上未得到正确 反映, 一些专著和教科书有意无意地歪曲了历史事实, 以至一些著名的科学哲学家和科学史 家也以讹传讹,散布了错误的影响。因此,全面系统地分析、论述王淦昌先生在中微子理论 方面的贡献与成就,并给予公正、客观的评价是十分必要的。 一、导论--从“能量和动量守恒定律危机”到“鬼魂粒子”之谜 中微子-Neutrino 是自然界中最稳定的少数几种粒子之一, 也是基本粒子家族中性质最为奇 特的一种粒子, 它不带电, 没有大小, 没有静止质量, 没有磁矩, 它几乎不与物质发生作用, 能以光速在“虚无飘渺”中贯穿地球如入“无物之境” 。由于中微子有奇特的性质而极难捉 摸,所以科学界称其为“鬼魂粒子” 。早期中微子理论的发展,即中微子的发现被公认为“是 一件令人兴奋的真正的科学奇谭” 。 众所周知, 二十世纪初测定射线能谱的研究, 相继证实α 射线和γ 射线的能谱同原子光谱一 样呈线状分布。然而对β 射线能谱的研究结果,却出乎人们的预料。 1914年,英国科学家查得威克(J.Chadwick)最先用计数器和电离室观测到β 射线的能 谱,并发现其呈连续分布。(1)。 [ ] 当时, 量子理论特别是分立能级的观念已深入人心。 由于衰变前后的原子核都具有确定的能 量,如果β 粒子带走全部能量,则β 粒子的能量应为确定值。因此连续β 谱的发现是当时的 理论难以解释的。 1924年,玻尔(N.Bohr) 、克喇末(H.A.Kramers)和斯莱特(J.C.Slater)发表《辐射的 量子理论》 ,对连续β 谱提出了一个惊人的解释:只有放弃单一过程中的守恒定律, “特别是 放弃了对经典理论来说那样带有特征性的能量守恒原理和动量守恒原理的直接应用” ,代之 以“能量和动量的统计守恒” ,一个一致的理论才能得到发展[ (2)。这样β 衰变的连续能 ] 谱的实验结果,就构成对能量和动量守恒定律的严峻挑战。 为了 “拯救” 能量守恒和动量守恒这些自然科学最基本的定律, 泡利 (W.Pauli) “孤注一掷” , 提出了当时几乎完全不能被接受的“中子”假说: “在原子核中,可能存在中性的,我希望 称之为中子的粒子,它的自旋为1/2,并且服从费米-狄拉克统计,但它与光子不同,因 为它不以光速传播,它的质量最大的数量级与电子的质量相同,并且在任何情况下,都不大 于质子质量的0.01倍。按这一假设,连续的β 谱就可解释为:在β 衰变中一个中子和一 个电子一起被辐射出来,在此过程中,中子和电子的能量总和是守恒的。[ ”(3) ] 泡利初次提出这个建议只是试探性的, 他对自己设想的神秘粒子并非充满信心。 1930年 12月4日,他在提出上述观点的致蒂宾根(Tubingen)国际物理学会议的“公开信”中谨 慎地写道: “我还没有足以自信到发表关于这一想法的任何东西,所以我先信任地谨向您们 --亲爱的放射性研究者们,提出一个问题:如果中子有大约10倍于γ 粒子的穿透能力, 那么能否用实验验证确实有中子存在?”(3)。 [ ] 二、精湛的实验--王淦昌对连续β 谱有明晰上限的验证 在泡利提出“中子”假说前不久,即1930年秋,王淦昌官费赴德国留学,在柏林大学威 廉皇帝化学研究所从师于迈特纳。迈特纳(L.Meitner)是位杰出的犹太裔女物理学家,她和

哈恩(O.Hahn)最早开始测定β 谱射线能谱。1914年查德威克用计数器发现β 谱是连 续谱后,迈特纳和其他物理学家随即用实验加以确切证实,并首先从理论上进行解释,虽然 她的解释后来又被实验否定, 但她提出的 “量子化的原子核不应当发射具有可变能量的电子” 的观点,对泡利有相当影响。泡利1930年12月4日提出“中子”的那封信,正是写给 盖革(Hans Geiger)和迈特纳的。而王淦昌正是在导师迈特纳的指导下介入中微子研究的。 1931年6月,泡利应邀参加美国物理学会在帕萨迪纳(Pasadena)举行的会议,第一次 当众报告了关于β 衰变中会出现一种穿透力很强的新的中性粒子的想法。 据庞捷科尔沃回忆 说,当泡利讲到这里时,费米(E.Fermi)激动地打断泡利的话高声嚷道: “那就叫它中微子 吧! ” 泡利深知, 无论中微子在理论上多么重要, 如果这种粒子不能被实验检验, 就没有物理意义。 但是, 由于中微子独特的性质, 要验证它, 在当时看来, 连泡利自己也觉得 “似乎不太可能” 。 经过反复思索, 泡利在帕萨迪纳会议提出了一个实验上可以检验的预言: 从核里辐射的β 粒 子和穿透力极强的中微子的能量总和应该有一个明晰的上限。 泡利指出: “从经验的观点看, 我认为决定性的是电子的β 谱是否显示一个明晰的上限” (3) 泡利认为如果β 谱的上限 。 [ ] 是明晰的,那么他的关于中微子的设想就是正确的,而玻尔的观点是错误的。因为按照玻尔 的看法,β 谱将有一个强度逐渐减弱的长尾巴。 不久,在柏林大学的王淦昌按照迈特纳的指导,选取 RaE 的β 谱进行研究。由于这是一项 全新的探索,没有现成的实验装备,必须亲自动手制作仪器设备,王淦昌的此项研究是十分 艰苦的。 功夫不负苦心人,王淦昌的实验终于获得了重要成果。1932年1月,王淦昌在德国《物 理学期刊》第74卷上发表题为《关于 RaE 的连续β 射线谱的上限》的论文[ (4),在这 ] 篇文章中, 王淦昌不仅介绍了用自制的计数管测量、 研究RaE辐射的β 射线的能谱的结果, 并且由 本文由市场调查 http://www.iaskci.com 撰稿整理


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