雲室(cloud chamber)是一種游離輻射的粒子偵測器,也是最早的帶電粒子探測器,由英國物理學家查爾斯·湯姆森·里斯·威爾遜,CH,FRS(英語:Charles Thomson Rees Wilson,1869年2月14日-1959年11月15日)發明,因此又稱為威爾遜雲室。
宇宙線亦稱為宇宙射線,宇宙中不僅僅有數量龐大的星體,還有著大量的穿透性輻射。是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。主要的初級宇宙射線(來自深太空與大氣層撞擊的粒子)成分在地球上一般都是穩定的粒子,像是質子、原子核、或電子。但是有非常少的比例是穩定的反物質粒子,像是正電子或反質子,這剩餘的小部分是主要研究的重點。
卡爾·戴維·安德森(英語:Carl David Anderson,1905年9月3日-1991年1月11日)於1927年畢業於美國加州理工學院,1930年獲得博士學位,便留在學校,跟隨其在物理學院的老師羅伯特·安德魯斯·密立根(英語:Robert Andrews Millikan,1868年3月22日-1953年12月19日)(這也不是一個一般人物,他是基本電荷的測定者)一起研究宇宙射線。安德森(Anderson)早期的研究領域是X射線,他的博士論文研究了X射線使各種氣體放出的光電子在空間的分佈情況。另外安德森(Anderson)還着手研究了宇宙射線粒子的能量分佈以及高速電子在穿過不同物質時的能量損耗。這些都為他後來發現正電子做了準備和鋪墊。
到了1932年,安德森(Anderson)跟老師密立根(Millikan)一起研究宇宙射線是電磁輻射還是粒子的問題。這是科學史上由來已久的一個模糊。在當時,以阿瑟·霍利·康普頓(英語:Arthur Holly Compton,1892年9月10日-1962年3月15日)為首的一些科學家普遍認為宇宙射線是帶電粒子。但密立根(Millikan)卻並不同意,並為此事跟康普頓(Compton)等人吵得不可開交。
那是8月份的第二天晚上,師生二人一起去學校的餐廳吃飯。安德森(Anderson)點了密立根(Millikan)最喜歡吃的菜,但後者卻唉聲嘆氣毫無食慾。安德森(Anderson)知道老師的煩心事,也不去挑破,但在心裏暗暗下定決心,一定要找出證據,擊破那些沒有根基的理論。當天晚上吃完飯後,
告別密立根(Millikan)老師,安德森(Anderson)並沒有回到宿舍休息,而是跑到了實驗室,開始研究實驗。研究射線的威爾遜雲室里煙霧瀰漫。安德森(Anderson)做了幾個深呼吸,開始了今晚的工作。
他讓宇宙射線去撞擊雲室中的鉛板,然後拍攝照片。等這些照片洗出來,他一張張翻看,突然有一張吸引了他的注意。這張照片顯示,宇宙射線穿過鉛板之後,軌跡發生了彎曲,有一個未知粒子的軌跡和電子的軌跡完全相同,但是彎曲的方向卻恰好相反。換句話說這種尚未查明的粒子與電子的質量相同,電荷相反。於是安德森(Anderson)並認為這是一種帶正電的電子。第二年安德森(Anderson)又用γ射線轟擊方法產生了正電子,從而在實驗上完全證實了正電子的存在。從此正電子便正式被列入基本粒子的行列。
當時安德森(Anderson)並不知道,在1928年物理學家狄克拉就在他著名的狄克拉方程式中預言了正電子的存在。這一方程的解很特別,既包括正能級也包括負能級。狄拉克由此做出了存在正電子的預言,認為正電子是電子的一個鏡像,它們具有嚴格相同的質量,但是電荷符號相反。狄拉克根據這個圖象,還預料存在著一個電子和一個正電子互相湮滅放出光子的過程;相反,這個過程的逆過程,就是兩個光子湮滅產生出一個電子和一個正電子的過程也是可能存在的。而安德森(Anderson)在無意間幸運地發現了正電子的存在。
安德森(Anderson)當年才31歲。而幫助安德森(Anderson)獲得當年諾貝爾物理學獎的成就就是他發現了正電子。
安德森(Anderson)的確是幸運的,因為在他之前,有兩次差點跟諾貝爾物理學獎失之交臂。
首先走在安德森(Anderson)前面發現正電子的是約里奧·居里夫婦,這兩個人是著名科學家皮埃爾·居里夫婦的女婿與女兒。他們兩個人首先觀察到正電子的存在,但遺憾的是,這並未引起他們足夠的重視,從而錯過了這一偉大發現。這對居里夫婦雖然能力上並不亞於他們的父母,他們不但錯過了正電子的發現,還同樣錯過了中子的發現及核裂變的發現,
另外一個差點從安德森(Anderson)手裏搶走獎盃的人,是一位中國科學家。他叫做趙忠堯,而且,有趣的是他也是密立根(Millikan)的學生。
下一集我要講物理學家們期聚一堂的辯論大會, 索爾維會議。
一個是愛因斯坦的相對論學派,另一個是量子力學由玻爾領導的哥本哈根學派合力塑成的。
沒有留言:
張貼留言