我國物理學家王淦昌與中微子的發現

陳世豪

(蓬安縣蓬安中學 四川 南充 637800)

1 歷史背景

1896年，法國物理學家亨利·貝克勒爾發現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烈輻射究竟是什么東西.

居里夫人認為貝克勒爾發現的現象具有普遍性，并首先使用“放射性”一詞來描述物質的這種性質.她與丈夫皮埃爾·居里一起，經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得多的新元素，居里夫人將這種新元素命名為釙，以紀念自己的祖國波蘭.在1902年，居里夫婦又發現了另一種放射性更強的金屬——鐳[1].

1900年前后，湯姆孫建議盧瑟福研究這個課題.盧瑟福和他的學生們通過將鐳元素產生的射線引入強磁場中，結果發現射線立即分成3股，其中兩股左右分開，分別向兩個方向偏轉，另外一股不偏轉，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

后來，人們進一步的研究表明，這個假設的方案存在嚴重的問題：它雖然遵守電荷守恒定律，但卻明顯違反物理學上3個最基本的守恒定律.

其次，違反動量守恒定律.原子核發生β衰變時，相當于一個炮竹一炸為二，按動量守恒定律：小碎片(電子)的運動方向，與大碎片(新原子核)的反沖方向應該正好相反，如圖2所示.但實驗觀測發現，電子的飛行方向，與產生的新原子核的反沖方向，很難出現嚴格相反.

圖2 β衰變后粒子運動方向示意圖

2 泡利的假設

能量守恒定律是自然界的基本定律，到那時為止，尚未發現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，科學家們發揮想象力，提出了種種方案.

1930年，奧地利物理學家泡利提出了一個大膽的假設：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現的未知粒子，那么，上述種種矛盾都可以立即化解.換言之，先承認有一種未知粒子悄悄參與了β衰變，再根據各種守恒定律的要求，來反推這種未知粒子的各種性質.

首先，根據電荷守恒定律，泡利假設的未知粒子必須不帶電，是中性的.泡利假設提出后不久，意大利物理學家費米把這種尚未發現的中性粒子，命名為“中微子”，記作ν.

其次，根據能量守恒定律，這種未知粒子的靜止質量應當為零.這種粒子與物質的相互作用極弱，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

泡利的中微子假設和費米的β衰變理論，雖然在理論上成功地解決了所有矛盾，但是，畢竟實踐是檢驗真理的唯一標準.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度，就連泡利本人也曾對朋友說過，中微子恐怕永遠也測不到.

的確，中微子非常難以測到，這是因為它是中性粒子，與其他粒子不存在電磁相互作用，另外它質量極小，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個中微子的前進步伐受阻.因此，證實中微子的存在，就成了一件極困難的事情.

泡利提出中微子假說的時候，德國柏林大學來自中國的年輕研究生王淦昌，也在研究β衰變和檢驗中微子的實驗.尋找中微子的實驗開始于1933年，到1940年的時候已經有6,7個實驗能定性地支持中微子的存在，但沒有一個能拿出定量的確鑿的證據來.

怎樣尋找一種比較簡單的反應過程，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電子，而變為另一種原子核B，并放出一個中微子的過程[2]，即

在K俘獲的過程中，末態只有2個粒子，王淦昌指出：“當一個放出正電子的β衰變，不放出正電子而是俘獲一個K層負電子時，反應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].

文章一發表就在國際上引起反響和同行響應，有些物理學家馬上按他的方案進行實驗.美國物理學家阿倫看到論文之后，立馬進行了實驗，同年6月，《物理評論》雜志發表了阿倫根據王淦昌的方案所做的實驗《一個中微子存在的實驗證據》，實驗結果肯定了王淦昌的構想，取得了肯定的結果，這是1942年全球物理學界的一件大事.

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證它的存在.關于這個問題，1934至1941年間文章很多，可是都沒有抓住關鍵……1941年10月王淦昌先生在浙江大學(那時正值抗日戰爭，浙江大學避難在貴州遵義、湄潭)寫了一篇短文，提出用K電子俘獲的辦法尋找中微子.這是一篇極有創造性的文章，在確認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，實驗物理學家按王淦昌先生的建議進行了一系列的工作，最終確認了中微子的存在.”[5]

王淦昌后來回憶說：利用這次養病的機會，我集中閱讀了近幾年有關中微子問題的論文，看到不少物理學家所做過的這方面的實驗.其中有一個實驗引起了我的注意，那就是1939年克蘭和哈爾彭的核反沖效應的研究.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.我認為他們的方法不是最好的，因為在這個核反應中，末態有三體，這3種東西分不清楚，就很難測出中微子，最好能夠變三體為二體.我反復思考了一段時間，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，就可以得到關于中微子的知識了.

繼論文《關于探測中微子的一個建議》發表6年后的1947年，王淦昌又在美國《物理評論》雜志上發表了《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16O(n，p)中產生的16N來進行反沖研究從而探測中微子，因為12B 有很大的β輻射能量(12 MeV)，而且質量比較小，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在經過β輻射后能輻射γ射線，發生內部轉換而放出e-射線，通過云霧室或e-輻射定向重合計算技術，來探測中微子.第三種方法是“應用具有K放射性質的某些物質，如7Be，41Ca，51Cr等，這些物質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，兩個同分異構體能被分離開來而進行檢驗.這個分離的成功將清楚地證明中微子的存在”.

需要特別強調的是，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，這是在之前科學界從未有人提出過的構想，這為中微子的研究打開了全新的思路，這一觀點具有極強的創造性和科學預見性，指明了進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電子俘獲實驗，由于用的樣品較厚及孔徑效應，沒能觀察到單能的7Li反沖，沒能完全實現王淦昌的建議.以后又有許多人按照這一方向繼續工作，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的軌道電子俘獲實驗(37A+eK→37Cl+ν占93%，37A+eL→37Cl+ν占7%)，這個實驗在世界上第一次發現單能的反沖核，37Cl反沖能量的實驗值與理論預言值完全符合[預言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驗發表了一個多月之后，戴維斯發表了他用7Be做的K電子俘獲實驗結果，他測到7Li的反沖能量為(55.9±1.0) eV[理論預言值為(57.3±0.5) eV)]，與王淦昌預期的完全吻合.從1941年王淦昌提出確認中微子存在的辦法后，歷經10年，到1952年實驗確認中微子的存在.

在此基礎上，1956年，美國物理學家萊因斯和柯萬就是在王淦昌的構想上進行實驗，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王淦昌的構想發現太陽中微子失蹤，獲得2002年諾貝爾獎.

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