氘核、宇宙射线和加速器的年代

氘核、宇宙射线和加速器的年代

1931年12月5日。尤里、布瑞克外德（F．G．Brickwedde）和穆菲（G．M．Murphy）宣布34发现了鼓核（deuteron）（开始也曾叫过deuton、山Pfon），它是氢的质量为2的同位素的原子核。开始时他们（在美国标准局）在三相点附近蒸发液氢并“从最后一个立方厘米的最后一部分中收集气体”。然后，（在哥伦比亚大学）检验了样品的原子光谱。在通常的每条氢光谱线Hβ、Hγ、Hδ的附近，他们发现在旧玻尔理论所期望的一个质量为2的同位素的位置上，有一条微弱的伴线。氘的发现在中子发现之前十个星期。我已经提到过，在1932年氘的结合能仍然按以下的两种假设来估算：氘的成分是2p＋e；或者是p＋n。

在核物理学中，氘的重要性可以与原子物理学中的氢原子相比，但不如后者那么简单。作为核物理学独一无二的束缚的二体系统，氘是有关核力的一个丰富的信息源。但在30年代已经开始认清，比起足以给氢光谱极好的一级近似的库仑定律，核力定律的复杂性是无可比拟的。它现在以及将来都必将如此。

30年代同位素的研究，发展得极其迅速。到1937年发现了几乎一百种新的放射性品种。”

1931年12月19日。安德森发表的第一张正电子照片只是标志30年代宇宙射线研究所取得的重大进步的一个例子。就在安德逊的发现之前，人们对于这种辐射的起源和组分几乎什么都不知道，尽管这种辐射已经发现了近20年。

几年以前我在维也纳的镭研究院拜访了卡尼克（B．Karhk）教授。当我们正在上楼时，她在一扇窗前停了下来，指着一个露天停车场，凑近我说：“发现宇宙线的头几步工作就是在那儿完成的，当时那是一块牧草地。”很久以后，我偶然看到一篇有关那块牧草地上所发生的事情的报导，那是赫斯（V．F．Hess）写的，时间是1911年。

那时，大量实验已表明，即使当屏蔽很强时验电器的电离室也能测试出辐射。把这些穿透力很强的辐射看作是产生于地球内部或地球大气层中的设想，变得越来越困难。在1911年赫斯的文章中，他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，那么就与牧草地实验相抵触。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。”看来是必需有一个新的假设：“要么是在很高的高度有一种至今未知的物质，要么在地球以外有一种穿透力很强的辐射源。”在密立根（对于吸引人的词汇他总是格外灵敏）于1925年末提出”“宇宙射线”名称之前，大多数人一直叫它超幅射。

这样就开始了粒子物理学的一个新分支。与放射性研究不同，这一研究不需要费力去准备放射源；它也不像加速器物理学，宇宙射线中粒子不需要人工加速。关键的进展几乎只与检测仪器的进化相联系，这就解释了为什么在赫斯发现之后的第一个15年里进展相当的缓慢。接着发生了许多故事：海洋航行，潜人深水，飞机旅行，到埃菲尔铁塔顶上和高山上冒险等等。抱歉的是我在这里只能一笔带过，下面也只简单地列举到1933年底的大事记，此外在（g）节还将介绍一些情况。

1925年12月。密立根测量小组①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β射线实验中，斯科伯尔金（D．Skobeltzyn）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庄放射性引起。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，博特和科尔赫斯特（W．Kolh6rster）指出，有些在海平面人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拿几百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γ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。布莱克特和奥卡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。最最令人信服的是罗西（B ROSSi）的结果，他用厚达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。

大约就在1930年以后，那些活跃于字宙射线研究的人员数量开始迅速上升，于是在这一课题上的论文数也开始迅急速增加。下表说明了这方面的问题。它选录自一份1934年的自称相当全面的文献。“总数”和“美国”各自表示世界范围和在美国发表的论文数。

年份24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

总数9 15 48 37 43 54 62 95 132 184

美国12 8 3 7 7 9 16 44 69

1932年2月17日。在α粒子源的帮助下发现了中子。此后，所有基本粒子的发现都只通过三种方式：或者在宇宙射线中，或者利用加速器，或者利用反应堆。

1932年6月15日。考克饶夫和瓦尔登报道了第一个由加速器中加速的粒子所激发的核过程：

p＋Li7→2α（17．8）

他们已能把质子加速到0．7MeV，不过，人们发现为了达到使理发生反应的目的，0．12MeV 就已足够。

这个数量级的电压差早就已经可以得到。卢瑟福回忆，他在1904年的圣路易斯博览会上看到过一个可以产生大约50万伏特电压的变压器。无论是什么工业方面的原因使人们追求如此高的电压，在一个高度真空的管子的两端加上这样的电压，在当时绝不可能仅仅出于工业的需要。只有用这种装置，人们才有希望加速粒子，而不至于因为被管中的气体散射而损失能量。因此，从一开始，有效的高能量就与那些高真空的设备相联系。进人20年代后期，有用的加速电压的极限大约是200000伏特，更高的电压则会导致干扰放电。”

朝向高能研究的动力似乎始于1926年的一个核物理学计划的进展，其指导者是华盛顿卡内基研究所地磁部的布赖特博士。根据这一计划的主要实验物理学家图夫（M．Α．Tuve）的说法，“这次研究的主要目的是了解由质子和电子所组成〔1926年〕的原子核如何能那么稳定地维系在一起……我们期待发现某种非电性的短程力。利用高压X射线管，布赖特和图夫得到约为5MeV的峰值电压。1927年，在柏林的一个小组开始了利用大气中的电流作为高压源的一个计划（不无成功）。1928年，一个高能原子核计划（以X射线管开始）在