宇宙射线的研究与正电子的发现

宇宙射线的研究与正电子的发现宇宙射线的研究与正电子的发现 1 宇宙射线的研究 宇宙射线的研究 在 20 世纪的物理学研究中 宇宙射线的研究占有非常重要的地位 在高能加速器未 出现以前 人们只有靠天然的源泉进行研究 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 许多 新的粒子如正电子 介子 介子等都是首先在宇宙射线中发现的 带电的验电器其金箔被分得很开 但即使在附近不存在放射性物质时 它也会慢慢失 去所带的电荷 早期的研究者认为 在普通的土壤中很有可能广泛分布着少量的放射性物 质 纵然它们的存在量少到不能用通常的方法探测出来 但是偶尔产生的高速粒子还是会 使验电器所带的电荷被放出一点 最终 验电器会被完全放电 1903 年 卢瑟福曾研究过 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整个屏蔽起来 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 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 源 也可能是 射线的吸收比 预期的小 1910 年 1911 年 哥克尔 A Coekel 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 奥地利出生的美国物理学家赫斯 Victor Franz Hess 1883 1964 意识到 可以用热 气球把验电器送入高空大气中来对这一问题进行研究 因为当时认为放射源几乎全部在土 壤中 使验电器移至远离土壤的高空应该会比迄今为止采用的任何其他方法更加有效地阻 止放电 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 2 3 台能同时工作的游离室 1911 年 赫斯的文章中报道了两个实验系列 第一串实验是在牧草地上做的 用于检测吸收系 数的理论估计与实验是否相符 一个强的辐射源与一个静电计之间的水平距离可以在 90 米 范围内变化 结果发现实验与理论相符 在第二串实验中 载人气球上升到 1000 米高空 测量宇宙射线的垂直强度 测得结果是 强穿透力的辐射在这个高度的强度与海平面的情 况差不多 如果辐射是从地球中发射出来的 那么就与地面实验相抵触 接着 在 1912 年 4 月 17 日 赫斯与两个同伴一起开始一系列载人的气球升空试验 最后达到 5000 米的 高度 在这一高度 发现辐射强度大约是地球上的 9 倍 赫斯于 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 Kolh rster Werner 1887 1946 将气球升至 9300m 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 起源问题进行了广泛的研究 赫斯也因宇宙射线的研究与美国加利福尼亚州帕萨迪那加州 理工学院的安德森 Carl David Anderson 1883 1964 分享了 1936 年度诺贝尔物理学奖 1925 年 美国物理学家密立根 Robelt ndrew MIllikan 1868 1953 对这种来自高 空的穿透性辐射产生了兴趣 并给这种辐射第一次取了这个名字 宇宙射线 因为它们 好像起源于宇宙中的某个地方 密立根似乎十分肯定 宇宙线是电磁辐射的一种形式 与 射线相比 它的波长更短 因此能量更高 穿透性也更强 1925 年 12 月密立根测量小 组得出第一份报告 他们使用的是由两个直径为 18 英寸的气球携带的自行记录设备 这种 新技术使得在比以前更高的高度作观察成为可能 1927 年 4 月在一个 射线实验中 斯 科伯尔金 Skobeltzyn Dmitry 1882 把云室放在一个磁场中 他发现他的几张照片显 示出的电子轨迹是那么地直 以至于不可能是由于 放射性引起 这是第一次观察到宇宙 线粒子 1929 年 2 月斯科伯尔金注意到宇宙射线粒子频繁地一组组地出现 这是簇射的 第一次暗示 1929 年 6 月由于在计数器技术和符合电路中的进步 博特和柯尔霍斯特指出 有些在海平面入射的宇宙射线必定是带电粒子 他们发现 当一块 4 厘米厚的铅吸收板放 在垂直放置的两个计数器之间时 两个计数器之间的符合数只稍微减少了一点点 如果像 当时普遍相信的那样 宇宙射线在海平面是带有能量几百 MeV 的光子 那么这个结果是 无法理解的 其实这一效应是由于单个的快速带电粒子横穿铅板时能量的适度损失引起的 这个实验对宇宙射线研究的历史的影响是众所周知的 直到那时 宇宙射线一直被认为 是高能 射线 1927 1933 年 宇宙射线的强度对地球上给定位置的纬度和方位的依赖 东西效应 的实验和理论的研究 显示出地球磁场的重要影响 并且澄清了宇宙射线主 要是由带电粒子所组成 1933 年 2 月 布莱克特和奥恰利尼用他们的计数器控制云室进行 研究 发表了有关宇宙射线簇射的第一份报告 1932 1933 年 第一次证实了个别宇宙射 线粒子的能量能达到十亿伏特 最最令人信服的是意大利物理学家罗西 Rossi Bruno 1905 的结果 他于 1930 年用厚达 1 米的铅吸收板重复了博特和科尔赫斯特的 实验 从这以后人们开始知道 宇宙射线甚至能有高得多的能量 从此以后 宇宙射线的 研究已经成为一个非常活跃研究领域 宇宙射线究竟是什么 这一问题一直处于争论之中 康普顿怀疑宇宙线是带电荷的亚 原子粒子流 如果它以足够高的速度运动 也能具有比 射线更强的穿透性 那么怎样才 能解决这个争论呢 如果事实像密立根认为的那样 宇宙线是一种电磁辐射 那么它们应 该是不带电的 且不受地球磁场的影响 如果来自天空各个部分的射线量相等的话 则到 达地球表面各个部分的射线量也应是相等的 然而 如果宇宙线是带电粒子 那么它们就 会受地球磁场的影响而发生偏转 离地球的赤道愈远 愈是靠近磁极 射线的量就会愈多 换句话说就是纬度愈高 宇宙线愈集中 这种现象被称为纬度效应 康普顿为了证实是否 确实存在纬度效应而走遍了整个世界 测量世界各地宇宙线的分布情况 到 20 世纪 30 年 代初 他已能够证实纬度效应确实存在 而且宇宙线确实是一种带电粒子 1930 年 罗西 指出 如果宇宙线带正电荷 那么来自西方的射线量应比来自东方的多 如果它们带负电 荷 则情况相反 1935 年 美国物理学家约翰逊 Thomas Hope Johnson 1899 证明来 自西方的宇宙线量比较多 因此宇宙线粒子带正电荷 现在知道 宇宙线粒子是来自恒星的高速运动的原子核 由于这些恒星主要由氢组成 宇宙线粒子也主要是氢核 还包含一些氦核和其他微量的更重的核 太阳会发射出恒定的 高速质子流和其他带电粒子 被称为太阳风 它在太阳表面产生特别激烈的扰动 例如太 阳耀斑 会形成比正常情况下能量更高的粒子簇射 能量愈高 速度也就愈快 当它们的 速度接近光速时 就属于宇宙线粒子 比太阳热且活动剧烈的恒星会更大量地发射宇宙线 粒子 超新星爆发是特别好的宇宙线粒子源 一旦宇宙线粒子高速穿过宇宙空间 则它们 会被所穿过的恒星磁场和整个银河系磁场加速并使能量变得更高 由于高能的宇宙线粒子 能够引发一些核反应 而这些核反应是放射性辐射因能量不够而不能引发的 因而它为核 物理学家们提供了一种新的更加有力的工具 放射性物质可以在实验室中进行浓缩和实验 放射性辐射可以任意调配并仔细地瞄准目标 而宇宙线粒子是按照它们自己的规律来到地 面的 只能通过爬上高山或热气球升空来获得更集中的宇宙线粒子 2 正电子的发现 正电子的发现 研究宇宙射线的第一项引人注目的成果就是安德森于 1932 年发现的正电子 安德森 是密立根的学生 从 1930 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 但这并不影响他们在宇宙射线的研究方面做出的许多贡 献 1930 年 6 月 安德森在加州理工学院获得博士学位后继续 使用云室进行工作 但他的导师密立根对他把注意力转移到宇 宙射线上 为此他建造了一间具有当时最强的磁场 高达 25000 高斯 的云室 不久以后他在他的云室中检测到难以理 解的带有曲率的径迹 如果它们朝下移动表示是正电荷 朝上 移动则表示是负电荷 安德森回忆说 每个人都知道宇宙射 线粒子向下走 除非在非常罕见的情况下 否则它们不会向上 走 于是我就有了这个想法 把一块铅板横放在云室中央以区 别朝上和朝下的粒子 无论它们是什么粒子 四分之一英寸 的铅板将使人们很容易确定 电荷的符号 如果粒子向下 通过这块板子 它将失去能量 它的轨迹在下边将弯曲得更厉 害 他发现 一些轨迹 看来是由正粒子产生的 但是 如果真是这样的话 这些粒子的质量一定比质子的质量小 他仔细地筛出待选的对象 得 到谨慎的结论 它似乎要求一个正电荷的粒子 其质量与电子的质量差不多 当时安德 森并不了解狄拉克的电子理论 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 它是于 1955 年由美籍意大利出生的物理学家塞格雷和张伯伦的小组发现的 安德森那非凡的轨迹的第一张图片发表在