3. 宇宙射线和正电子的发现
1932 年， 也是令物理学家激动的一年。由中子的发现所引起的兴奋还没有平静， 一个新的奇迹又出现了。这次是来自宇宙射线这一领域。
宇宙射线的迹象， 最初是在观测放射性现象时被科学家注意到的。1903 年， 卢瑟福和他的助手曾研究过这个问题。
他们发现， 在把所有放射源小心地移走以后， 实验室里的验电器还会有离子产生， 大约每立方厘米范围内， 每秒钟会产生10 对离子。他们用铁和铅把验电器完全屏蔽起来， 离子的产生几乎可以减少10 。他们针对这种情况， 设想有某种贯穿力极强， 类似于γ射线的某种辐射从外面进入了验电器， 从而激发出第二次放射性。
这种设想引起了科学家们的注意， 希望能搞清这种辐射的真正来源。在这其中， 奥地利物理学家赫斯做出了重要贡献。他是一位气球飞行的业余爱好者。这一特长正好在这项研究中发挥了作用。赫斯设计了一套装置， 吊在气球下， 里面主要是一只密闭的电离室。电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差， 设置其中的静电计可以直接记录下辐射的情况。赫斯一共制作了10 只侦察气球， 每只气球都装载有2 ～3 个能同时工作的电离室。1911 年， 赫斯的第一只气球升至1070 米的高度， 结果发现： 在这一高度以下， 静电计记录到的辐射同海平面的情况差不多。第二年， 气球达到5350 米的高度。这一次得到了较为精确的结果： 在距地面800 米以上的空间， 辐射已略有增加； 在1400 ～2500 米之间， 辐射已显然超过海平面的情况； 到5000 米高空， 辐射已数倍于地面。在这一年， 赫斯对上述结果作了一个解释。他认为具有强大穿透力的辐射是从外界进入大气的， 而不是来自太阳的辐射。
赫斯的工作引起了物理学家的极大兴趣， 他们对这种来自外界的宇宙射线进行了研究， 特别关心宇宙射线的来源和它们的各种效应。
威尔逊云室是分析宇宙射线的成分和性质的一个很好的工具， 它是英国物理学家威尔逊在1911 年发明的。威尔逊是由英国卡文迪许实验室培养和训练出来的一位实验物理学家。他业余时间对气象有特殊爱好， 对云雾现象的形成有浓厚的兴趣。据说， 他是在仰望天空中云层的形成时， 产生的灵感。因为大量潮湿的空气在上升时， 在接触到高处寒冷的稀薄空气时， 会突然凝成白茫茫的一片云雾。于是， 他回到实验室， 进行模拟实验， 让潮湿的空气膨胀， 产生人工云雾。实验中， 他发现在尘埃完全清除的密室里， 如果空气膨胀比足够大， 也可能出现云雾。他利用这一发现， 发明了精巧的云室。它的原理并不复杂， 在我们日常生活中也能接触到。在闷热的天气里， 人们常常可以见到浴室里“出汗”的自来水管。自来水管“出汗”是由于浴室里水汽密度很大， 已接近室温下的饱和点。当自来水管中流过凉水时， 自来水管管壁的温度低于室温， 使它附近的水汽过饱和因而在自来水管壁上凝结出水珠来。威尔逊云室就是利用过饱和水汽凝结在物体上的原理制成的。它是一个充满水汽的容器， 当在很短的时间间隔里使云室容积膨胀时， 由于水汽突然扩散， 温度就立即降低。这样， 云室内的水汽就过饱和了。如果此时有一个带电粒子通过云室， 它就会在它的运动轨道上与气体分子碰撞， 使气体分子电离为正负离子， 这些离子正好充当过饱和水汽的凝结中心。云室中， 就会沿着粒子径迹出现一条由水珠连成的线， 用强光照射可拍摄下这条粒子的径道。由于云室能直接显示粒子运动的径迹， 所以它一经被发明出来， 就成了研究核物理的重要工具， 在物理学发现中作出了贡献。
安德逊发现正电子就有云室的功劳。安德逊是美国著名的物理学家密立根的学生， 从1930 年起就跟随密立根从事宇宙射线的研究工作。他们用云室观察宇宙射线时， 在云室中间放置了一块6 毫米厚的铅板， 当粒子穿过铅板时， 会因为电离碰撞而损失能量。这样粒子在进入云室后， 它在铅板两侧的能量是不同的， 它的径迹也会有所差异， 从而可鉴别出粒子的相关性质。一个带电粒子的能量越小， 它在磁场中的径迹就弯曲得越厉害， 曲率就越大。所以他们把云室置于强磁场中， 可以根据铅板两侧粒子径迹曲率的不同， 判断出粒子的运动方向， 同时根据粒子径迹弯曲的方向， 可以判定粒子的电荷性质。
安德逊在实验时， 不间断地每15 秒钟对云室拍一次照。一次实验下来， 得到相当大数量的照片， 对实验观测结果的分析是一项既艰苦又非常需要细致、耐心的工作。1932 年， 安德逊在认真察看几千张云雾照片时， 发现一张照片上有一条径迹是陌生而奇特的。这条径迹的形状与电子的径迹有些相似， 但是从照片上可以通过穿过铅板留下的径迹分析出它的运动方向。铅板下方粒子的径迹要比铅板上方变得弯曲。可以判断的粒子是由上而下运动的。它的运动方向与电子相反， 表明它是一个带正电的粒子， 我们知道质子也带正电， 但是安德逊发现的这条奇特径迹的雾珠密度与已知的质子径迹完全不符， 这从径迹的粗细和长度上可以判断出来。显然， 这是一种新粒子， 它不可能是质子， 却又像是电子。这张照片让安德逊一夜没有合眼。终于， 他断定这是一个带正电的电子。它与电子质量相等。但电荷相反， 所以， 它被称为正电子。
由于发现宇宙射线和正电子的功绩， 赫斯与安德逊共享了1936 年的诺贝尔物理学奖。
和许多物理学上的发现一样， 在安德逊发现正电子之前， 其他一些物理学家在已经得到的一些云室照片中也发现了正电子的径迹。只是当时这些径迹要么没有引起他们的注意而放过； 要么是作了错误的解释而错过。在这些物理学家当中， 比较有名气的是小居里夫妇。他们在安德逊之前， 在研究用钋轰击铍来产生辐射的实验中， 就通过云室观察到了正电子的径迹。然而， 他们把它理解为向放射源移动的电子， 而不是从源发出的正电子。真是太遗憾了！ 1932 年， 他们由于不知道关于中子存在的猜测， 而眼睁睁地失去了一次重大发现的机会。小居里夫妇后悔失去的不只是中子的发现， 还应该有正电子呢！ 好在， 约里奥-居里夫妇是经得起挫折的， 他们具有锲而不舍的精神。1933 年4 月， 他们又运转起自己的云室， 在后来的实验中记录到了单个正电子。
可见， 物理实验是物理学发现的基础。但是， 物理实验绝不单是操作问题， 正确地理解实验的结果， 合理解释实验的结果， 是至关重要的。弄不好， 重要发现就从鼻子尖底下偷偷地溜走了。
正电子的发现， 又开阔了物理学家的眼界。它不仅仅使人们又认识了一个新粒子， 而且它是一种已知粒子的反粒子。正电子就成为大量粒子及其反粒子发现的开端。
宇宙射线的迹象， 最初是在观测放射性现象时被科学家注意到的。1903 年， 卢瑟福和他的助手曾研究过这个问题。
他们发现， 在把所有放射源小心地移走以后， 实验室里的验电器还会有离子产生， 大约每立方厘米范围内， 每秒钟会产生10 对离子。他们用铁和铅把验电器完全屏蔽起来， 离子的产生几乎可以减少10 。他们针对这种情况， 设想有某种贯穿力极强， 类似于γ射线的某种辐射从外面进入了验电器， 从而激发出第二次放射性。
这种设想引起了科学家们的注意， 希望能搞清这种辐射的真正来源。在这其中， 奥地利物理学家赫斯做出了重要贡献。他是一位气球飞行的业余爱好者。这一特长正好在这项研究中发挥了作用。赫斯设计了一套装置， 吊在气球下， 里面主要是一只密闭的电离室。电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差， 设置其中的静电计可以直接记录下辐射的情况。赫斯一共制作了10 只侦察气球， 每只气球都装载有2 ～3 个能同时工作的电离室。1911 年， 赫斯的第一只气球升至1070 米的高度， 结果发现： 在这一高度以下， 静电计记录到的辐射同海平面的情况差不多。第二年， 气球达到5350 米的高度。这一次得到了较为精确的结果： 在距地面800 米以上的空间， 辐射已略有增加； 在1400 ～2500 米之间， 辐射已显然超过海平面的情况； 到5000 米高空， 辐射已数倍于地面。在这一年， 赫斯对上述结果作了一个解释。他认为具有强大穿透力的辐射是从外界进入大气的， 而不是来自太阳的辐射。
赫斯的工作引起了物理学家的极大兴趣， 他们对这种来自外界的宇宙射线进行了研究， 特别关心宇宙射线的来源和它们的各种效应。
威尔逊云室是分析宇宙射线的成分和性质的一个很好的工具， 它是英国物理学家威尔逊在1911 年发明的。威尔逊是由英国卡文迪许实验室培养和训练出来的一位实验物理学家。他业余时间对气象有特殊爱好， 对云雾现象的形成有浓厚的兴趣。据说， 他是在仰望天空中云层的形成时， 产生的灵感。因为大量潮湿的空气在上升时， 在接触到高处寒冷的稀薄空气时， 会突然凝成白茫茫的一片云雾。于是， 他回到实验室， 进行模拟实验， 让潮湿的空气膨胀， 产生人工云雾。实验中， 他发现在尘埃完全清除的密室里， 如果空气膨胀比足够大， 也可能出现云雾。他利用这一发现， 发明了精巧的云室。它的原理并不复杂， 在我们日常生活中也能接触到。在闷热的天气里， 人们常常可以见到浴室里“出汗”的自来水管。自来水管“出汗”是由于浴室里水汽密度很大， 已接近室温下的饱和点。当自来水管中流过凉水时， 自来水管管壁的温度低于室温， 使它附近的水汽过饱和因而在自来水管壁上凝结出水珠来。威尔逊云室就是利用过饱和水汽凝结在物体上的原理制成的。它是一个充满水汽的容器， 当在很短的时间间隔里使云室容积膨胀时， 由于水汽突然扩散， 温度就立即降低。这样， 云室内的水汽就过饱和了。如果此时有一个带电粒子通过云室， 它就会在它的运动轨道上与气体分子碰撞， 使气体分子电离为正负离子， 这些离子正好充当过饱和水汽的凝结中心。云室中， 就会沿着粒子径迹出现一条由水珠连成的线， 用强光照射可拍摄下这条粒子的径道。由于云室能直接显示粒子运动的径迹， 所以它一经被发明出来， 就成了研究核物理的重要工具， 在物理学发现中作出了贡献。
安德逊发现正电子就有云室的功劳。安德逊是美国著名的物理学家密立根的学生， 从1930 年起就跟随密立根从事宇宙射线的研究工作。他们用云室观察宇宙射线时， 在云室中间放置了一块6 毫米厚的铅板， 当粒子穿过铅板时， 会因为电离碰撞而损失能量。这样粒子在进入云室后， 它在铅板两侧的能量是不同的， 它的径迹也会有所差异， 从而可鉴别出粒子的相关性质。一个带电粒子的能量越小， 它在磁场中的径迹就弯曲得越厉害， 曲率就越大。所以他们把云室置于强磁场中， 可以根据铅板两侧粒子径迹曲率的不同， 判断出粒子的运动方向， 同时根据粒子径迹弯曲的方向， 可以判定粒子的电荷性质。
安德逊在实验时， 不间断地每15 秒钟对云室拍一次照。一次实验下来， 得到相当大数量的照片， 对实验观测结果的分析是一项既艰苦又非常需要细致、耐心的工作。1932 年， 安德逊在认真察看几千张云雾照片时， 发现一张照片上有一条径迹是陌生而奇特的。这条径迹的形状与电子的径迹有些相似， 但是从照片上可以通过穿过铅板留下的径迹分析出它的运动方向。铅板下方粒子的径迹要比铅板上方变得弯曲。可以判断的粒子是由上而下运动的。它的运动方向与电子相反， 表明它是一个带正电的粒子， 我们知道质子也带正电， 但是安德逊发现的这条奇特径迹的雾珠密度与已知的质子径迹完全不符， 这从径迹的粗细和长度上可以判断出来。显然， 这是一种新粒子， 它不可能是质子， 却又像是电子。这张照片让安德逊一夜没有合眼。终于， 他断定这是一个带正电的电子。它与电子质量相等。但电荷相反， 所以， 它被称为正电子。
由于发现宇宙射线和正电子的功绩， 赫斯与安德逊共享了1936 年的诺贝尔物理学奖。
和许多物理学上的发现一样， 在安德逊发现正电子之前， 其他一些物理学家在已经得到的一些云室照片中也发现了正电子的径迹。只是当时这些径迹要么没有引起他们的注意而放过； 要么是作了错误的解释而错过。在这些物理学家当中， 比较有名气的是小居里夫妇。他们在安德逊之前， 在研究用钋轰击铍来产生辐射的实验中， 就通过云室观察到了正电子的径迹。然而， 他们把它理解为向放射源移动的电子， 而不是从源发出的正电子。真是太遗憾了！ 1932 年， 他们由于不知道关于中子存在的猜测， 而眼睁睁地失去了一次重大发现的机会。小居里夫妇后悔失去的不只是中子的发现， 还应该有正电子呢！ 好在， 约里奥-居里夫妇是经得起挫折的， 他们具有锲而不舍的精神。1933 年4 月， 他们又运转起自己的云室， 在后来的实验中记录到了单个正电子。
可见， 物理实验是物理学发现的基础。但是， 物理实验绝不单是操作问题， 正确地理解实验的结果， 合理解释实验的结果， 是至关重要的。弄不好， 重要发现就从鼻子尖底下偷偷地溜走了。
正电子的发现， 又开阔了物理学家的眼界。它不仅仅使人们又认识了一个新粒子， 而且它是一种已知粒子的反粒子。正电子就成为大量粒子及其反粒子发现的开端。
