我國物理學(xué)家王淦昌與中微子的發(fā)現(xiàn)

陳世豪

(蓬安縣蓬安中學(xué) 四川 南充 637800)

1 歷史背景

1896年，法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾化合物能放出某種射線，使密封完好的照相底片感光，此后，人們不斷探索這些來自原子核的強(qiáng)烈輻射究竟是什么東西.

居里夫人認(rèn)為貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象具有普遍性，并首先使用“放射性”一詞來描述物質(zhì)的這種性質(zhì).她與丈夫皮埃爾·居里一起，經(jīng)歷了艱苦的提純工作，在1898年從瀝青鈾礦鹽中分離出一種放射性比鈾強(qiáng)得多的新元素，居里夫人將這種新元素命名為釙，以紀(jì)念自己的祖國波蘭.在1902年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了另一種放射性更強(qiáng)的金屬——鐳[1].

1900年前后，湯姆孫建議盧瑟福研究這個課題.盧瑟福和他的學(xué)生們通過將鐳元素產(chǎn)生的射線引入強(qiáng)磁場中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)射線立即分成3股，其中兩股左右分開，分別向兩個方向偏轉(zhuǎn)，另外一股不偏轉(zhuǎn)，一直向前，盧瑟福將它們分別命名為α射線、β射線和γ射線，如圖1所示.

進(jìn)一步的研究表明：α射線是氦原子核組成的粒子流，β射線是高速電子流，γ射線是高能光子流(即波長極短的電磁波).

圖1 3種放射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)

后來，人們進(jìn)一步的研究表明，這個假設(shè)的方案存在嚴(yán)重的問題：它雖然遵守電荷守恒定律，但卻明顯違反物理學(xué)上3個最基本的守恒定律.

其次，違反動量守恒定律.原子核發(fā)生β衰變時，相當(dāng)于一個炮竹一炸為二，按動量守恒定律：小碎片(電子)的運(yùn)動方向，與大碎片(新原子核)的反沖方向應(yīng)該正好相反，如圖2所示.但實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，電子的飛行方向，與產(chǎn)生的新原子核的反沖方向，很難出現(xiàn)嚴(yán)格相反.

圖2 β衰變后粒子運(yùn)動方向示意圖

2 泡利的假設(shè)

能量守恒定律是自然界的基本定律，到那時為止，尚未發(fā)現(xiàn)有哪個自然過程不遵守能量守恒定律.為了解釋β衰變中的這些矛盾，科學(xué)家們發(fā)揮想象力，提出了種種方案.

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個大膽的假設(shè)：如果在β衰變過程中，原子核在放出電子的同時，還伴隨放出一種尚未被我們發(fā)現(xiàn)的未知粒子，那么，上述種種矛盾都可以立即化解.換言之，先承認(rèn)有一種未知粒子悄悄參與了β衰變，再根據(jù)各種守恒定律的要求，來反推這種未知粒子的各種性質(zhì).

首先，根據(jù)電荷守恒定律，泡利假設(shè)的未知粒子必須不帶電，是中性的.泡利假設(shè)提出后不久，意大利物理學(xué)家費(fèi)米把這種尚未發(fā)現(xiàn)的中性粒子，命名為“中微子”，記作ν.

其次，根據(jù)能量守恒定律，這種未知粒子的靜止質(zhì)量應(yīng)當(dāng)為零.這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以至儀器很難探測得到.未知粒子、電子和反沖核的能量總和是一個確定值，能量守恒仍然成立，只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已.

3 王淦昌方案

泡利的中微子假設(shè)和費(fèi)米的β衰變理論，雖然在理論上成功地解決了所有矛盾，但是，畢竟實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).由于誰也沒有測到過中微子，因此，人們對這一新理論持懷疑態(tài)度，就連泡利本人也曾對朋友說過，中微子恐怕永遠(yuǎn)也測不到.

的確，中微子非常難以測到，這是因?yàn)樗侵行粤Ｗ樱c其他粒子不存在電磁相互作用，另外它質(zhì)量極小，身輕如燕，人們很難捕捉到它.有人估算，一個中微子要穿透1 000光年厚的鐵塊，才可能與其他粒子碰到而發(fā)生相互作用，把7 300億個地球排成一排，也只能使1個中微子的前進(jìn)步伐受阻.因此，證實(shí)中微子的存在，就成了一件極困難的事情.

泡利提出中微子假說的時候，德國柏林大學(xué)來自中國的年輕研究生王淦昌，也在研究β衰變和檢驗(yàn)中微子的實(shí)驗(yàn).尋找中微子的實(shí)驗(yàn)開始于1933年，到1940年的時候已經(jīng)有6,7個實(shí)驗(yàn)?zāi)芏ㄐ缘刂С种形⒆拥拇嬖冢珱]有一個能拿出定量的確鑿的證據(jù)來.

怎樣尋找一種比較簡單的反應(yīng)過程，或者說尋找一種只有2個粒子生成的β衰變呢？王淦昌注意到一種叫做“K俘獲”的過程，這是原子核A俘獲了離它最近的K層電子軌道上的一個負(fù)電子，而變?yōu)榱硪环N原子核B，并放出一個中微子的過程[2]，即

在K俘獲的過程中，末態(tài)只有2個粒子，王淦昌指出：“當(dāng)一個放出正電子的β衰變，不放出正電子而是俘獲一個K層負(fù)電子時，反應(yīng)后新元素的反沖能量和動量，僅僅依賴于所放出的中微子，只要測量反應(yīng)后元素的反沖能量和動量，就很容易找到放射的中微子的能量和動量.”

A Suggestion on the Detection of the Neutrino

KAN CHANG WANG

It is known that the presence of the neutrino cannot be detected by its own ionization effect.It appears that the only hope of getting evidence of its existence is by measuring the recoil energy or momentum of the radioactive atom.Crane and Halpern1have，by measuring the momentum and energy of the emitted β-ray and the recoil atom with a cloud chamber，obtained evidence pointing toward the existence of the neutrino.However，owing to the smallness of the ionization effect of the recoil atom，it seems worth while to consider a different method of detecting it.

When a β+-radioactive atom captures a K electron instead of emitting a positron,the recoil energy and momentum of the resulting atom will depend solely upon the emitted neutrino,the effect of the extra-nuclear electron being negligible.It would then be relatively simple to find the mass and energy of the emitted neutrino,by measuring the recoil energy and momentum of the resulting atom alone.Moreover,this recoil is now of the same amount for all atoms,since no continuous β-rays are emitted.We take for example the element Be7which decays in 43 days with K capture in two different processes:2

Be7+eK→Li7+η+(1 Mev)

and

Be7+eK→(Li7)*+η+(0.55 Mev)

(Li7)*→Li7+hν+0.45 Mev

The first process is relatively large，about 10 to 1 in comparison with the second process.The recoil energy of the first process is，by assuming the mass of neutrino to be zero，about 77 ev while that of the second process is about one-third of that amount. This recoil energy would have to be detected and measured in some way，and a correction would have to be made for the disturbances due to the γ-rays and the soft x-rays(originating from the replacement of the K electrons by outer electrons).The recoil energy of certain K-capture atoms，particularly those having isomeric properties so that the K capture is followed by an α-decay，may also be possibly detected by chemical means.In this case，if the radioactive substance is prepared to form some suitable compound of non-polar type，the recoil energy of the resulting atom will break the bond and thus be detected.

1H.R. Crane and J.Halpern，Phys.Rev.53，789(1938)；Phys. Rev.56，232(1939).

2R.B.Roberts，N.P.Heydenburg，and G.L.Locher，Phys. Rev.53，1016(1938)；L.H.Rumbaugh，R.B.Roberts，and L.R.Hafstad，Phys.Rev.54，

657(1938)[4].

文章一發(fā)表就在國際上引起反響和同行響應(yīng)，有些物理學(xué)家馬上按他的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn).美國物理學(xué)家阿倫看到論文之后，立馬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，同年6月，《物理評論》雜志發(fā)表了阿倫根據(jù)王淦昌的方案所做的實(shí)驗(yàn)《一個中微子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)》，實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定了王淦昌的構(gòu)想，取得了肯定的結(jié)果，這是1942年全球物理學(xué)界的一件大事.

1986年，中科院高能物理研究所李炳安和時任美國紐約州立大學(xué)石溪分校的楊振寧曾在文章中評價說：“其中一個中心問題是如何直接驗(yàn)證它的存在.關(guān)于這個問題，1934至1941年間文章很多，可是都沒有抓住關(guān)鍵……1941年10月王淦昌先生在浙江大學(xué)(那時正值抗日戰(zhàn)爭，浙江大學(xué)避難在貴州遵義、湄潭)寫了一篇短文，提出用K電子俘獲的辦法尋找中微子.這是一篇極有創(chuàng)造性的文章，在確認(rèn)中微子存在的物理工作中，此文一語道破了問題的真諦.”“從1942年開始到五十年代初，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家按王淦昌先生的建議進(jìn)行了一系列的工作，最終確認(rèn)了中微子的存在.”[5]

王淦昌后來回憶說：利用這次養(yǎng)病的機(jī)會，我集中閱讀了近幾年有關(guān)中微子問題的論文，看到不少物理學(xué)家所做過的這方面的實(shí)驗(yàn).其中有一個實(shí)驗(yàn)引起了我的注意，那就是1939年克蘭和哈爾彭的核反沖效應(yīng)的研究.他們用一個云霧室，測量38Cl放射出來的β射線和反沖原子核的動量和能量，獲得中微子存在的證據(jù).我認(rèn)為他們的方法不是最好的，因?yàn)樵谶@個核反應(yīng)中，末態(tài)有三體，這3種東西分不清楚，就很難測出中微子，最好能夠變?nèi)w為二體.我反復(fù)思考了一段時間，想到了K俘獲的方法.在K俘獲的過程中，末態(tài)只有二體，就是反沖核和中微子兩種粒子，不放射β射線，所以反沖核的能量是單值能量，測量它的能量，就可以得到關(guān)于中微子的知識了.

繼論文《關(guān)于探測中微子的一個建議》發(fā)表6年后的1947年，王淦昌又在美國《物理評論》雜志上發(fā)表了《建議探測中微子的幾種方法》，在這篇論文里又提出了3種新的探測中微子的方法.第一種方法是用從13C或14N中得到的12B，或用從核反應(yīng)16O(n，p)中產(chǎn)生的16N來進(jìn)行反沖研究從而探測中微子，因?yàn)?2B 有很大的β輻射能量(12 MeV)，而且質(zhì)量比較小，所以用它探測原子核反沖動量，比克蘭和哈爾彭用38Cl(只有5 MeV的β輻射能量)要容易得多，而16N雖然不如12B，但卻比38Cl有利.第二種方法是利用24Na在經(jīng)過β輻射后能輻射γ射線，發(fā)生內(nèi)部轉(zhuǎn)換而放出e-射線，通過云霧室或e-輻射定向重合計(jì)算技術(shù)，來探測中微子.第三種方法是“應(yīng)用具有K放射性質(zhì)的某些物質(zhì)，如7Be，41Ca，51Cr等，這些物質(zhì)的原子核有一些會在較長壽命的γ輻射后捕獲K電子，……由K俘獲的反沖，兩個同分異構(gòu)體能被分離開來而進(jìn)行檢驗(yàn).這個分離的成功將清楚地證明中微子的存在”.

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在這篇論文中，王淦昌還提出了通過裂變探測中微子的全新思路，這是在之前科學(xué)界從未有人提出過的構(gòu)想，這為中微子的研究打開了全新的思路，這一觀點(diǎn)具有極強(qiáng)的創(chuàng)造性和科學(xué)預(yù)見性，指明了進(jìn)一步研究中微子的道路和方向[6].

阿倫按王淦昌的建議所做的7Be K電子俘獲實(shí)驗(yàn)，由于用的樣品較厚及孔徑效應(yīng)，沒能觀察到單能的7Li反沖，沒能完全實(shí)現(xiàn)王淦昌的建議.以后又有許多人按照這一方向繼續(xù)工作，直到1952年樓德拜克和阿倫用氣體樣品和飛行時間法做了37A的軌道電子俘獲實(shí)驗(yàn)(37A+eK→37Cl+ν占93%，37A+eL→37Cl+ν占7%)，這個實(shí)驗(yàn)在世界上第一次發(fā)現(xiàn)單能的反沖核，37Cl反沖能量的實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)言值完全符合[預(yù)言37Cl的飛行速度為(0.711±0.04) cm/μs，測到的速度峰值為0.714 cm/μs)].就在樓德拜克和阿倫的實(shí)驗(yàn)發(fā)表了一個多月之后，戴維斯發(fā)表了他用7Be做的K電子俘獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他測到7Li的反沖能量為(55.9±1.0) eV[理論預(yù)言值為(57.3±0.5) eV)]，與王淦昌預(yù)期的完全吻合.從1941年王淦昌提出確認(rèn)中微子存在的辦法后，歷經(jīng)10年，到1952年實(shí)驗(yàn)確認(rèn)中微子的存在.

在此基礎(chǔ)上，1956年，美國物理學(xué)家萊因斯和柯萬就是在王淦昌的構(gòu)想上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過裂變直接探測到中微子，萊因斯因此獲得了1995年諾貝爾獎.后來美國戴維斯也根據(jù)王淦昌的構(gòu)想發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤，獲得2002年諾貝爾獎.

自然科學(xué)的發(fā)展道路是崎嶇而漫長的，每一個重大發(fā)現(xiàn)都凝聚著科學(xué)家的智慧和艱辛.中微子的發(fā)現(xiàn)歷程，展現(xiàn)了中國科學(xué)家對人類文明的貢獻(xiàn)，也展現(xiàn)了中國力量和中國智慧.