威爾遜云室的發(fā)明及對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

20世紀(jì)物理學(xué)取得了輝煌的成就，人們的視線已經(jīng)由宏觀深入到微觀.各種粒子探測(cè)器的發(fā)明使用，使粒子物理學(xué)和核物理學(xué)取得重大進(jìn)展.在各種粒子探測(cè)器中，尤為值得人們紀(jì)念的是威爾遜云室的發(fā)明.它的發(fā)明，使人們認(rèn)識(shí)了不少新粒子，并導(dǎo)致一批物理學(xué)家榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).在20世紀(jì)物理學(xué)史上，人們永遠(yuǎn)不會(huì)忘記它的發(fā)明者——C·T·R威爾遜.

1 C·T·R威爾遜生平

威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson , 1869～1959年)于1869年2月14日生于英國(guó)愛(ài)丁堡附近的格林科斯教區(qū).父親約翰·威爾遜是一位牧羊主.威爾遜4歲時(shí)，父親不幸去世，母親帶著全家遷至曼徹斯特.威爾遜先在一家私立學(xué)校讀書(shū)，15歲時(shí)考入歐文斯學(xué)院(現(xiàn)在的曼徹斯特大學(xué)).由于想當(dāng)醫(yī)生，威爾遜選修了生物學(xué)，1887年獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位.他又花了一年時(shí)間學(xué)習(xí)哲學(xué)等古典課程，獲得了進(jìn)入劍橋錫德尼蘇塞克斯學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金.在劍橋，他對(duì)物理學(xué)和化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣并進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，1892年畢業(yè)留校當(dāng)研究生，1896年獲物理學(xué)博士學(xué)位，1900年成為蘇塞克斯學(xué)院的講師.從那時(shí)起直到1918年，他在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，同時(shí)講授光學(xué).從1925年起，他一直擔(dān)任劍橋大學(xué)的自然哲學(xué)杰克遜講席的教授，直到1934年退休.退休后他離開(kāi)劍橋，回到了家鄉(xiāng)蘇格蘭，1959年11月15日病逝，享年90歲.

威爾遜一生成績(jī)卓著，獲得了各種榮譽(yù)與勛章：1900年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1911年獲得休斯獎(jiǎng)?wù)拢?920年獲得劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)的霍普金斯獎(jiǎng)金，1921年獲得愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)的岡寧獎(jiǎng)金，1922年獲得皇家獎(jiǎng)?wù)?1925年獲得富蘭克林研究所的霍華德波茨(Howard Potts)獎(jiǎng)?wù)拢?927年與康普頓共獲該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

2 意外的發(fā)現(xiàn)

1894年9月，威爾遜在大不列顛的最高峰、蘇格蘭境內(nèi)的尼維斯山的天文觀測(cè)站度過(guò)了幾星期.他回憶起在山上的情景：“當(dāng)太陽(yáng)照射山頂上的云霧時(shí)所呈現(xiàn)出的奇妙光學(xué)景象，特別是太陽(yáng)周?chē)牟虱h(huán)以及山頂和人在云霧上的影子周?chē)尸F(xiàn)的彩環(huán)，使我發(fā)生了極大的興趣.我想在實(shí)驗(yàn)室里模擬這些現(xiàn)象.”誰(shuí)料想，正是這次對(duì)大自然美景的模擬實(shí)驗(yàn)，使威爾遜獲得意外發(fā)現(xiàn)，并導(dǎo)致后來(lái)以他的名字命名的云室的發(fā)明.

1895年初，威爾遜在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了對(duì)云霧形成的研究，他利用柯利耳(Colier)和愛(ài)特肯(J.Aitken)的方法，使潮濕空氣膨脹形成云霧，實(shí)驗(yàn)獲得了成功.然而，在實(shí)驗(yàn)中他意外地發(fā)現(xiàn)，愛(ài)特肯有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)與事實(shí)有些不符.愛(ài)特肯認(rèn)為，當(dāng)空氣中沒(méi)有塵埃時(shí)不能產(chǎn)生云霧，但威爾遜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是，使無(wú)塵埃的潮濕空氣膨脹而造成較大程度的過(guò)飽和，的確不會(huì)形成云霧，但當(dāng)過(guò)飽和超過(guò)一定限度時(shí)就形成了云霧.于是他做了一個(gè)測(cè)量膨脹的儀器，潮濕空氣可在這個(gè)儀器中作反復(fù)的突然膨脹而且不被污染，體積可任意調(diào)節(jié).他發(fā)現(xiàn)，膨脹比有一個(gè)臨界值，無(wú)塵埃的潮濕空氣的膨脹比若不超過(guò)這個(gè)限度，就不會(huì)形成水滴；如果超過(guò)了這個(gè)限度，就會(huì)看到有細(xì)雨似的水滴下降.威爾遜利用改進(jìn)的儀器重新做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)還存在第二臨界膨脹值，如果膨脹比超過(guò)這個(gè)限度，在無(wú)塵空氣中就會(huì)形成密云.此時(shí)的凝聚除了蒸氣或氣體分子外沒(méi)有任何其他凝結(jié)核參與.威爾遜對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作了分析.他想，在膨脹實(shí)驗(yàn)中，凝結(jié)核的數(shù)目是有限的，而且總是會(huì)重新產(chǎn)生；凝結(jié)核的大小與分子的大小差不多，“它們是帶電的原子或離子嗎？”威爾遜猜測(cè)道.

3 云室的發(fā)明

1895年秋，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的消息傳到英國(guó)，1896年初，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任J·J·湯姆孫(Joseph John Thomson ,1856～1940年)就開(kāi)始了空氣受X射線照射后導(dǎo)電特性的研究，并提出氣體電離理論.威爾遜因而有機(jī)會(huì)接觸當(dāng)時(shí)原始形式的X射線管.他用X射線照射云室，發(fā)現(xiàn)在膨脹比達(dá)到一定限度時(shí)形成了云霧.這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，X射線產(chǎn)生了大量的凝結(jié)核，它們和空氣中產(chǎn)生的極少量的核同屬一類.在此后的兩年中，威爾遜用他發(fā)明的膨脹儀研究了X射線、新發(fā)現(xiàn)的鈾射線、紫外線、尖端放電及其他方法在空氣中產(chǎn)生的凝結(jié)核.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由純粹電離作用產(chǎn)生的核使水蒸氣凝聚所要求的最小過(guò)飽和值全都相同，由電離作用產(chǎn)生的凝結(jié)核在電場(chǎng)中的性質(zhì)表明它們確實(shí)是帶電離子.這就支持了J·J·湯姆孫的氣體電離理論.這些研究報(bào)告于1898年秋送交了皇家學(xué)會(huì).

帶電粒子看不見(jiàn)，但帶電粒子作為凝結(jié)核可以使水蒸氣在它周?chē)伸F珠，霧珠是看得見(jiàn)的.可以利用這個(gè)性質(zhì)來(lái)顯示帶電粒子的蹤跡.遺憾的是，由于威爾遜忙于別的研究工作，沒(méi)有繼續(xù)從事這方面的研究.

直到1910年，威爾遜重新開(kāi)始了膨脹云室的研究，他現(xiàn)在思考的問(wèn)題是使已知電荷的離子通過(guò)凝聚而成為可見(jiàn)的、可數(shù)的和可照相的痕跡的方法.當(dāng)時(shí)，α和β射線的微粒性概念已得到人們的確認(rèn)，他想，當(dāng)帶電粒子穿過(guò)空氣時(shí)由于和空氣中的氣體分子碰撞而使氣體分子電離，從而在入射粒子的運(yùn)動(dòng)路徑上生成大量的正負(fù)離子對(duì)，過(guò)飽和的水蒸氣將以這些正負(fù)離子為核心凝成霧珠，而霧珠是可見(jiàn)的和可照相的.有了這種想法，威爾遜開(kāi)始著手試驗(yàn)膨脹儀器的最合適的形狀，尋找拍攝云霧顆粒的瞬時(shí)照相的有效方法.1911年春，試驗(yàn)尚未完成.有一天，他用已做好的粗糙儀器試驗(yàn)一下能否看見(jiàn)某些痕跡，實(shí)驗(yàn)用的是X射線，雖然沒(méi)抱多少成功的希望，但結(jié)果卻令他欣喜：云室中出現(xiàn)了云霧構(gòu)成的細(xì)小線條，這些線條就是由于射線作用而產(chǎn)生的電子的徑跡.后來(lái)，他把閃爍鏡上裝有鐳的金屬片放到云室里，第一次看到了沿α粒子徑跡凝聚成的非常漂亮的云霧圖像；當(dāng)讓適當(dāng)?shù)姆派湓纯拷剖視r(shí)，還看到了快速β粒子的長(zhǎng)線狀徑跡.1911年夏，可拍照的膨脹云室終于設(shè)計(jì)完成了，他用α粒子的徑跡照片，證實(shí)了W·H布拉格不久前關(guān)于X射線粒子性的分析.威爾遜指出，要得到一張好的云室徑跡照片，需要滿足兩個(gè)條件：首先，膨脹不能攪動(dòng)氣體.為了保證這一點(diǎn)，可使用扁而寬的云室，它的底可以突然下降，可根據(jù)要求增加容積.其次，云室內(nèi)不能有“塵埃”粒子，也不能有離子，待觀察的電離離子除外.為此，需在云室的頂部和底部之間加一個(gè)電場(chǎng).

4 云室的改進(jìn)及對(duì)粒子物理學(xué)的貢獻(xiàn)

威爾遜云室能使那些小得無(wú)法直接觀察的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡顯示出來(lái)，甚至也可把那些高速粒子發(fā)生相互撞擊使運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變的情形拍攝下來(lái).因此，它一經(jīng)發(fā)明便立即受到人們的普遍重視與運(yùn)用，對(duì)于檢驗(yàn)理論和探索新型粒子做出了不可磨滅的貢獻(xiàn).

1923年康普頓(Arthur Holly Compton,1892～1962年)發(fā)現(xiàn)了X射線散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)，他用光子與電子碰撞時(shí)動(dòng)量與能量守恒定律作出解釋.在人們對(duì)此將信將疑時(shí)，威爾遜用云室拍攝到的反沖電子的徑跡，令人信服地證實(shí)了康普頓散射理論，為愛(ài)因斯坦光子說(shuō)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).由于這項(xiàng)工作及他發(fā)明的云室，他和康普頓共獲1927年度諾貝爾物理獎(jiǎng).

后來(lái)，人們利用威爾遜云室又發(fā)現(xiàn)了許多新型粒子.首先是正電子的發(fā)現(xiàn).1932年，美國(guó)加州理工學(xué)院的C·D·安德森(Carl David Anderson,1883～1964年)利用威爾遜云室研究宇宙射線，在宇宙射線的云室照片中發(fā)現(xiàn)了正電子的徑跡，這是利用云室發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子——正電子，從而證實(shí)了狄拉克(P.A.M.Dirac)關(guān)于存在正電子的預(yù)言.安德森因此榮獲1936年度諾貝爾物理獎(jiǎng).1937年，安德森又用它發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹(shù)在1935年從理論上預(yù)言的μ(介)子.1955年，我國(guó)科學(xué)家王淦昌和他的合作者利用大型云室發(fā)現(xiàn)了反西格馬負(fù)超子.

1925年在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，年輕的布拉開(kāi)特(M.S.Blackett，1897～1974年)在盧瑟福和威爾遜的指導(dǎo)下致力于用云室研究α粒子撞擊氮原子核的問(wèn)題.他從拍攝到的兩萬(wàn)多張?jiān)剖艺掌械玫搅?張照片，證實(shí)了盧瑟福1919年所做的世界上最早實(shí)現(xiàn)的人工核反應(yīng)實(shí)驗(yàn).

1932年布拉開(kāi)特(P.M.S.Blackett)和奧恰利尼(G.P.S.Occhialini)合作，開(kāi)始用威爾遜云室研究宇宙射線.由于宇宙射線稀少，如果讓云室隨機(jī)地膨脹和拍照，大約每百?gòu)堈掌兄挥?～5張上有宇宙射線的徑跡，這使他們想到云室攝影的自動(dòng)化問(wèn)題.解決的辦法是在豎直放置的云室上下兩側(cè)各置一蓋革計(jì)數(shù)管，使得經(jīng)過(guò)云室的宇宙射線必將先后穿過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)管.布拉開(kāi)特設(shè)計(jì)了一種電路，只有從兩個(gè)計(jì)數(shù)管來(lái)的訊號(hào)相耦合時(shí)才能觸發(fā)云室的膨脹而產(chǎn)生記錄照片.布拉開(kāi)特用這種自動(dòng)化技術(shù)控制云室攝影，約80%的照片上都有射線徑跡.他們通過(guò)對(duì)大約7 000張照片的分析，證實(shí)了幾個(gè)月前安德森發(fā)現(xiàn)的正電子，直觀地說(shuō)明了正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生和湮滅過(guò)程.1933年布拉開(kāi)特轉(zhuǎn)到倫敦大學(xué)伯克貝克學(xué)院擔(dān)任教授.在那里，他繼續(xù)用云室方法研究宇宙射線，他研制出了用于云室的大面積勻強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，并用這臺(tái)裝置拍攝了大量宇宙射線徑跡的照片.由于布拉開(kāi)特對(duì)云室技術(shù)的改進(jìn)及由此對(duì)核物理和宇宙射線的一系列新發(fā)現(xiàn)而榮獲1948年度諾貝爾物理獎(jiǎng).

1952年，美國(guó)加州大學(xué)的格拉塞(D.A.Glaser)在云室中直接用液體代替氣體-蒸汽混合物而發(fā)明了泡室.泡室的出現(xiàn)為探測(cè)高能帶電粒子又提供了一種有效手段，為此格拉塞榮獲1960年度諾貝爾物理獎(jiǎng).

一件科學(xué)儀器的發(fā)明能導(dǎo)致如此多的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，能使如此多的人榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)，這在諾貝爾授獎(jiǎng)史上也是不多見(jiàn)的.難怪盧瑟福評(píng)價(jià)云室是“科學(xué)史上最新最精彩的儀器”.德國(guó)物理學(xué)家勞厄在物理學(xué)史中曾這樣評(píng)價(jià)云室，“在今天的物理學(xué)家中，很普遍地流行著這樣一種信念：不僅認(rèn)為原子具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且基本粒子也和外在世界的其他事物一樣，具有完全的實(shí)在性.但是，這還是不太久的事，對(duì)于它的懷疑持續(xù)到20世紀(jì)——但是，最主要的確實(shí)是威爾遜云室，它明顯地顯示了單個(gè)荷電基本粒子或原子的徑跡，從而排除了一切的懷疑.”回首20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，我們不得不對(duì)威爾遜這個(gè)偉大的名字表示深深的敬仰.

參考文獻(xiàn)

1 宋玉升,等譯.諾貝爾獎(jiǎng)獲得者演講集 物理學(xué)(第二卷).北京：科學(xué)出版社，1985.167～185

2 R·L·韋伯著.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者(第1版). 李應(yīng)剛,寧存政譯.上海：上海翻譯出版公司，1985.88～90

3 吳芝蘭，鄭欽貴編譯.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金獲得者(1901～1984)(第1版).福州：福建教育出版社，1983.129～131