为 了 进 一 步 研 究 这 种 新 射 线 的 性 质, 搞 清 楚 这 个 不 速 之 客 的 真 实 身 份, 伦 琴 在 玻 璃 管 与 屏 幕 之 间 放 了 一 本 比 较 厚 的 书, 结 果 照 样 可 以 看 到 荧 光 随 后, 他 又 把 一 块 薄 木 板 放 在 了 书

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1 伦 琴 的 发 现 19 世 纪, 是 人 类 历 史 上 一 个 非 常 重 要 的 发 展 时 期 工 业 革 命 的 兴 起, 带 动 了 基 础 理 论 的 研 究 ; 反 过 来, 基 础 理 论 的 研 究 成 果, 又 进 一 步 推 动 了 工 业 的 发 展 特 别 是 19 世 纪 中 期, 随 着 电 力 的 广 泛 应 用, 人 们 对 于 生 产 过 程 中 出 现 的 放 电 现 象, 产 生 了 浓 厚 的 兴 趣, 其 中 对 阴 极 射 线 的 研 究, 到 19 世 纪 的 后 期, 已 经 形 成 了 热 潮 这 一 研 究 领 域 中, 具 有 代 表 性 的 人 物 当 属 德 国 杰 出 的 科 学 家 伦 琴 了 威 廉 康 瑞 德 伦 琴 于 1845 年 3 月 27 日 出 生 在 莱 茵 河 靠 近 荷 兰 边 界 的 伦 内 普, 从 小 伦 琴 就 喜 欢 到 野 外 活 动 和 参 加 一 些 手 工 劳 动 1862 年, 年 满 16 岁 的 伦 琴 进 入 乌 德 勒 支 技 术 学 校 学 习 ; 两 年 以 后, 他 考 取 了 苏 黎 世 科 技 学 校, 成 为 一 名 机 械 工 程 专 业 的 学 生 在 校 学 习 期 间, 他 的 一 位 老 师 物 理 学 教 授 孔 脱, 希 望 他 能 够 放 弃 技 术 职 业 方 面 的 学 习, 专 门 从 事 纯 科 学 方 面 的 研 究 工 作 孔 脱 教 授 的 指 引, 对 于 伦 琴 一 生 跋 涉 科 学 旅 途 起 了 决 定 性 的 作 用 常 言 道 : 有 千 里 马, 还 需 要 有 伯 乐 ; 做 千 里 马 难, 做 伯 乐 更 难 1868 年 伦 琴 取 得 了 机 械 工 程 文 凭 之 后, 第 二 年 他 又 取 得 了 哲 学 博 士 学 位 完 成 学 位 以 后, 他 作 为 孔 脱 教 授 的 助 手, 开 始 从 事 教 学 和 科 学 研 究 在 孔 脱 老 师 的 支 持 与 帮 助 下, 加 上 自 己 的 刻 苦 努 力, 伦 琴 的 事 业 取 得 了 极 大 的 成 功, 他 先 后 被 霍 恩 海 姆 农 学 院 施 特 拉 斯 堡 大 学 乌 德 勒 之 大 学 维 尔 兹 堡 大 学 等 院 校 聘 为 教 授 1894 年, 伦 琴 担 任 了 维 尔 兹 堡 大 学 的 校 长 1895 年, 伦 琴 在 前 人 工 作 的 基 础 上, 继 续 深 入 研 究 阴 极 射 线 的 有 关 问 题 在 一 个 严 冬 的 夜 晚, 伦 琴 正 在 维 尔 兹 堡 大 学 的 实 验 室 里 全 神 贯 注 地 做 实 验, 实 验 中, 他 发 现 了 一 种 意 想 不 到 的 现 象, 这 使 他 感 到 格 外 的 兴 奋 实 验 的 过 程 是 这 样 的 : 当 伦 琴 把 高 压 线 圈 产 生 的 几 万 伏 特 的 电 压, 接 到 真 空 玻 璃 管 内 的 电 极 上 时, 在 两 个 电 极 之 间 产 生 了 一 种 看 不 见 的, 但 性 质 又 非 常 特 别 的 射 线 这 种 射 线, 能 够 使 涂 在 玻 璃 管 壁 上 的 荧 光 物 质 氰 化 铂 钡 发 出 黄 绿 色 的 光 若 把 涂 有 这 种 物 质 的 屏 幕 离 开 玻 璃 管 一 段 距 离, 并 且 中 间 用 一 块 硬 纸 板 把 玻 璃 管 挡 住, 依 然 可 以 看 到 屏 幕 上 发 出 的 荧 光, 这 是 以 前 实 验 中 从 未 遇 到 过 的 现 象 根 据 有 关 阴 极 射 线 的 实 验, 人 们 已 经 知 道, 阴 极 射 线 是 一 种 粒 子 流, 它 绝 不 会 跑 到 玻 璃 管 外 面 来, 更 没 有 本 事 穿 过 这 样 厚 的 硬 纸 板 伦 琴 对 这 一 实 验 结 果 感 到 很 奇 怪, 他 觉 得 真 是 难 以 理 解

2 为 了 进 一 步 研 究 这 种 新 射 线 的 性 质, 搞 清 楚 这 个 不 速 之 客 的 真 实 身 份, 伦 琴 在 玻 璃 管 与 屏 幕 之 间 放 了 一 本 比 较 厚 的 书, 结 果 照 样 可 以 看 到 荧 光 随 后, 他 又 把 一 块 薄 木 板 放 在 了 书 的 后 面, 仍 可 清 楚 地 观 察 到 荧 光, 只 是 荧 光 的 亮 度 有 所 减 弱 通 过 这 一 连 串 的 实 验, 我 们 不 难 看 出, 这 种 新 射 线 具 有 相 当 强 的 穿 透 能 力 因 此, 伦 琴 断 定, 这 种 射 线 绝 不 是 从 阴 极 发 射 出 来 的, 它 是 以 前 人 们 从 未 遇 到 过 的 一 种 新 的 射 线 伦 琴 继 续 进 行 实 验 时, 更 有 趣 的 事 情 发 生 了, 当 他 把 自 己 的 左 手 放 到 玻 璃 管 与 屏 幕 中 间 时, 惊 奇 的 一 幕 展 示 在 他 的 面 前 : 他 的 手 指 骨 清 晰 地 出 现 在 屏 幕 上, 好 像 是 五 根 黑 糊 糊 的 干 树 枝 拼 凑 起 来 的 一 样 毫 不 夸 张 地 说, 这 是 他 一 生 中 最 惊 奇 的 发 现 实 际 上, 伦 琴 是 世 界 上 第 一 位 透 过 人 的 皮 肤 和 肌 肉 组 织, 能 够 直 接 看 见 骨 头 的 人 后 来 人 们 为 了 纪 念 伦 琴 为 科 学 事 业 做 出 的 重 大 贡 献, 便 以 他 的 名 字 命 名 这 种 新 射 线, 即 伦 琴 射 线, 伦 琴 也 因 为 发 现 伦 琴 射 线 而 荣 获 了 1901 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 他 是 自 诺 贝 尔 奖 颁 发 以 来 第 一 位 获 此 殊 誉 的 人 伦 琴 把 获 得 的 奖 金 赠 送 给 了 维 尔 兹 堡 大 学, 用 以 促 进 学 校 科 学 研 究 事 业 的 发 展 伦 琴 的 一 生, 致 力 于 物 理 教 学 和 科 学 研 究 工 作, 发 表 的 论 文 达 365 篇 在 物 理 学 的 不 少 领 域, 特 别 是 力 学 电 学 热 力 学 等 方 面, 取 得 的 成 就 尤 为 突 出, 为 物 理 学 的 发 展 做 出 了 杰 出 的 贡 献 引 起 社 会 广 泛 的 关 注 和 极 大 的 兴 趣 尤 其 是 医 学 界, 更 为 重 视, 很 快 给 医 学 领 域 带 来 了 一 场 深 刻 的 革 命, 这 也 是 给 世 人 带 来 的 福 音 伦 琴 做 出 的 贡 献, 是 向 人 类 向 新 世 纪 奉 献 的 最 可 贵 的 礼 物 揭 开 射 线 之 谜 伦 琴 发 现 的 新 射 线 到 底 是 什 么 呢? 为 了 认 清 它 的 本 质, 人 们 从 各 方 面 对 射 线 的 性 质 进 行 了 深 入 的 研 究 然 而, 十 几 年 过 去 了, 仍 然 没 有 给 出 肯 定 的 答 案 于 是, 人 们 便 采 用 了 数 学 语 言 中 的 未 知 量 X, 赋 予 这 种 射 线 一 个 奇 怪 的 名 字 X 射 线 这 样 一 来, 使 这 种 新 射 线 从 发 现 时 起, 就 披 上 了 一 层 神 秘 的 面 纱, 而 这 个 名 称 却 一 直 沿 用 至 今 德 国 物 理 学 家 劳 厄 在 前 人 工 作 的 基 础 上, 继 续 对 X 射 线 进 行 仔 细 地 研 究 他 将 X 射 线 照 射 到 晶 体 制 作 的 靶 上, 于 是, 他 在 屏 幕 上 观 察 到 了 非 常 熟 悉 的 衍 射 图 样 依 据 这 种 衍 射 现 象, 劳 厄 指 出,X 射 线 不 是 别 的, 而 是 一 种 波 长 非 常 短 的 电 磁 波 这 一 重 要 论 断, 犹 如 拨 开 乌 云 见 晴 天, 困 惑 人 们 多 年 的 谜 团 终 于 被 揭 开 了 劳 厄 由 于 发 现 了 X 射 线 在 晶 体 中 的 衍 射 现 象, 并 进 一 步 揭 示 了 X 射 线 的 本 质, 因 而 在 科 学 界 享 有 很 高 的 声 誉, 并 且 荣 获 了 1914 年

3 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 如 今, 人 们 对 于 X 射 线 已 不 陌 生, 已 经 知 道 它 是 高 速 运 动 的 电 子 与 固 体 相 撞 时 产 生 的 一 种 电 磁 辐 射 同 人 们 熟 悉 的 可 见 光 相 比,X 射 线 的 波 长 是 非 常 短 的, 一 般 在 纳 米 到 10 纳 米 之 间 人 们 把 波 长 大 于 0 1 纳 米 的 称 为 软 X 射 线 ; 而 把 波 长 小 于 0 1 纳 米 的 叫 做 硬 X 射 线 X 射 线 除 了 具 有 可 见 光 波 的 一 般 特 征, 诸 如 反 射 折 射 干 射 衍 射 等 现 象 以 外, 它 还 具 有 一 些 特 殊 的 性 质, 主 要 表 现 有 : 第 一, 由 于 X 射 线 波 长 非 常 短, 因 此, 它 具 有 很 强 的 穿 透 本 领 在 伦 琴 发 现 X 射 线 的 实 验 中, 我 们 已 经 看 到 了 这 一 点, 它 能 够 穿 透 比 较 厚 的 硬 纸 板 和 书 X 射 线 的 这 一 重 要 特 征, 有 着 广 泛 的 应 用 伦 琴 把 发 现 X 射 线 的 实 验 过 程 和 观 察 到 的 现 象 写 成 了 论 文, 发 表 在 医 学 杂 志 上, 并 将 他 夫 人 手 指 骨 的 照 片 也 公 布 于 世, 这 引 起 了 各 方 面 强 烈 的 反 响, 特 别 是 医 学 界, 对 此 尤 为 重 视 X 射 线 发 现 后 仅 3 个 月 的 时 间, 维 也 纳 的 一 家 医 院 在 外 科 治 疗 中, 首 先 采 用 X 射 线 给 患 部 拍 片, 用 来 诊 断 病 情 这 一 方 法 的 应 用, 不 仅 缩 短 了 诊 断 时 间, 而 且 使 病 情 的 诊 断 也 更 加 准 确, 这 样 更 有 利 于 疾 病 的 治 疗 从 X 射 线 发 现 到 实 际 临 床 应 用, 周 期 如 此 之 短, 这 在 科 学 技 术 发 展 史 上 是 前 所 未 有 的 第 二,X 射 线 具 有 很 好 的 感 光 作 用 它 能 够 使 氯 化 锌 硝 酸 银 等 荧 光 物 质 发 光, 也 很 容 易 使 照 相 胶 片 感 光 X 射 线 的 这 一 性 质, 也 得 到 广 泛 的 应 用, 为 医 生 做 胸 透 断 层 分 析 诊 断 外 科 病 情 等 提 供 了 简 便 而 有 效 的 方 法, 对 于 病 人 来 说, 也 没 有 任 何 痛 苦 的 感 觉 第 三,X 射 线 有 很 强 的 电 离 作 用 当 X 射 线 从 气 体 中 穿 过 时, 它 能 够 使 气 体 电 离, 从 而 将 中 性 的 气 体 变 成 了 带 电 的 离 子 X 射 线 的 这 一 作 用 在 纺 织 印 刷 等 行 业 中 有 着 重 要 的 意 义 纺 织 印 刷 等 生 产 过 程, 由 于 摩 擦 使 物 体 及 周 围 空 间 积 累 大 量 的 电 荷, 气 体 电 离 后 产 生 的 电 子 和 离 子, 能 够 将 这 些 电 荷 中 和 掉, 从 而 消 除 了 静 电 隐 患, 保 证 了 生 产 安 全 进 行 另 外, 还 常 常 运 用 这 种 方 法 进 行 静 电 除 尘, 使 周 围 环 境 得 到 净 化, 有 益 于 人 们 的 身 心 健 康 绝 无 仅 有 的 诺 贝 尔 奖 在 劳 厄 研 究 工 作 的 基 础 上, 英 国 著 名 的 物 理 学 家 亨 利 布 拉 格 和 劳 伦 斯 布 拉 格 父 子 俩 对 X 射 线 在 晶 体 中 的 衍 射 现 象, 进 行 了 更 加 细 致 的 研 究, 并 做 出 了 突 出 的 贡 献, 为 揭 示 晶 体 内 部 的 结 构, 开 拓 了 新 的 途 径 劳 伦 斯 布 拉 格 1890 年 3 月 31 日, 出 生 在 澳 大 利 亚 南 部 的 阿 德 莱 德 他 在 阿 德 莱 德 大

4 学 学 习 期 间, 数 学 学 习 非 常 出 色, 成 绩 名 列 前 茅 1909 年, 年 轻 的 劳 伦 斯 布 拉 格 来 到 了 英 国 剑 桥 大 学 三 一 学 院 学 习, 他 希 望 把 自 己 培 养 成 为 一 名 出 色 的 数 学 家 然 而, 一 年 之 后, 布 拉 格 改 变 了 自 己 原 来 的 想 法, 他 对 物 理 学 产 生 了 浓 厚 的 兴 趣 这 一 改 变, 对 于 他 后 来 的 成 长 产 生 了 非 常 大 的 影 响 兴 趣 爱 好, 对 一 个 人 来 说, 在 他 成 长 过 程 中 所 起 的 作 用, 往 往 是 难 以 估 量 的 这 方 面 的 事 例 不 乏 其 人 每 一 位 年 轻 的 读 者, 都 会 从 布 拉 格 的 成 长 经 历 中 获 取 有 益 的 启 迪 1912 年, 劳 伦 斯 布 拉 格 在 三 一 学 院 获 得 了 第 一 级 荣 誉 学 位 这 一 年 的 秋 天, 他 开 始 研 究 劳 厄 关 于 X 射 线 在 晶 体 中 的 衍 射 问 题, 并 取 得 了 新 的 进 展 在 以 后 的 两 年 中, 他 又 与 其 父 亨 利 布 拉 格 密 切 合 作, 共 同 研 究 X 射 线 在 晶 体 衍 射 中 更 深 层 次 的 问 题 他 们 通 过 这 一 衍 射 现 象 发 现, 在 晶 体 内 部, 原 子 或 离 子 都 是 按 照 一 定 的 格 式, 在 空 间 有 序 地 排 列 着, 形 成 了 一 组 组 平 行 的 平 面, 也 就 是 前 面 谈 到 的 空 间 点 阵 结 构 它 是 人 类 运 用 X 射 线 技 术, 研 究 晶 体 结 构 取 得 的 重 大 成 果 在 以 后 的 工 作 中 人 们 还 发 现, 利 用 同 样 的 方 法, 借 助 于 X 射 线 的 衍 射 结 果, 还 可 以 研 究 大 分 子 的 结 构 特 征 在 大 量 实 验 工 作 的 基 础 上, 布 拉 格 父 子 还 总 结 出 了 认 识 晶 体 结 构 的 重 要 规 律, 被 世 人 称 为 布 拉 格 公 式, 从 而 为 人 们 开 展 这 方 面 的 研 究 工 作 提 供 了 有 益 的 理 论 依 据 由 此 可 以 看 出,X 射 线 的 发 现, 为 透 析 晶 体 结 构 探 索 物 质 微 观 的 奥 秘 提 供 了 非 常 好 的 方 法 和 手 段 另 一 方 面, 如 果 人 们 知 道 了 某 种 晶 体 的 结 构, 那 么, 反 过 来 也 可 以 利 用 布 拉 格 公 式, 很 容 易 计 算 出 X 射 线 的 波 长 由 此, 人 们 找 到 了 一 种 能 够 测 定 X 射 线 波 谱 的 有 效 方 法, 通 常 称 为 晶 体 法 随 着 研 究 工 作 的 深 入, 布 拉 格 父 子 于 1913 年 的 3 月 创 造 性 地 研 制 出 了 第 一 台 X 射 线 摄 谱 仪 这 台 仪 器 有 着 多 方 面 的 用 途, 用 它 既 可 以 进 行 X 射 线 的 光 谱 分 析, 也 可 用 来 探 求 X 射 线 与 普 朗 克 常 数 之 间 的 关 系 等 不 仅 如 此, 他 们 还 把 复 杂 的 晶 体 结 构 有 关 问 题 进 行 简 化, 然 后 制 成 标 准 程 序, 并 编 写 成 书 X 射 线 与 晶 体 结 构, 为 人 们 从 事 这 方 面 的 研 究, 提 供 有 益 的 方 法 和 理 论 依 据 鉴 于 布 拉 格 父 子 利 用 X 射 线 分 析 研 究 晶 体 结 构 方 面 做 出 的 卓 越 贡 献, 他 们 二 人 共 同 分 享 了 1915 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 获 此 殊 荣 时, 劳 伦 斯 布 拉 格 年 仅 25 岁 时 至 今 日, 他 依 然 保 持 着 诺 贝 尔 奖 获 奖 者 中 年 纪 最 轻 的 记 录, 成 了 年 轻 一 代 学 习 的 楷 模 父 子 俩 共 同 研 究 探 索 同 一 个 课 题, 并 且 同 时 获 此 殊 荣, 这 在 诺 贝 尔 奖 颁 发 的 历 史 上 尚 无 先 例 这 也 成 为 科 学 史 上 的 一 段 佳 话 从 前 人 那 里 发 现 智 慧, 从 前 人 那 里 受 到 启 迪, 对 于

5 青 少 年 一 代 的 成 长 将 是 有 益 的 最 伟 大 的 发 现 1953 年, 沃 森 和 克 里 克 依 据 X 射 线 在 DNA 分 子 中 获 得 的 衍 射 图 像, 以 及 查 可 夫 于 1951 年 提 出 的 碱 基 互 补 配 对 规 则, 建 立 了 DNA 分 子 双 螺 旋 结 构 模 型 双 螺 旋 的 两 条 扁 带 表 示 糖 和 磷 酸 骨 架 ; 连 接 两 个 骨 架 的 平 行 短 线, 代 表 碱 基 对, 通 过 这 些 碱 基 对, 把 两 条 长 链 联 系 在 一 起 一 条 链 上 的 碱 基 与 另 一 条 链 上 的 碱 基, 通 过 氢 键 连 接 在 一 起, 这 两 个 链 条 围 绕 着 一 个 共 同 的 纤 维 轴, 按 照 右 手 螺 旋 的 方 向 旋 转 这 样 缠 绕 的 结 果, 使 两 个 链 条 相 互 盘 绕 成 一 个 双 螺 旋 状 的 稳 定 结 构, 样 子 好 像 一 个 螺 旋 状 的 旋 梯 科 学 家 们 利 用 DNA 分 子 这 种 双 螺 旋 结 构 模 型, 就 能 够 很 好 地 解 释 遗 传 现 象 中 的 自 我 复 制 的 问 题 了 如 果 知 道 了 一 条 链 中 的 碱 基 排 列 顺 序, 人 们 就 可 以 按 照 严 格 的 碱 基 配 对 法 则, 准 确 地 找 出 另 一 条 链 的 碱 基 排 列 次 序, 因 为 它 们 是 互 补 的 假 如 连 接 两 条 链 的 氢 键 一 旦 断 开, 那 么, 分 开 以 后 的 两 条 链 又 会 依 照 互 补 性 规 则, 各 自 建 立 起 一 条 新 的 互 补 链 这 样 原 来 的 一 对 链 条, 通 过 自 我 复 制 后, 就 变 成 了 两 对 链 条 另 外, 科 学 家 们 进 一 步 研 究 还 发 现,DNA 分 子 双 螺 旋 结 构 中, 这 种 严 格 的 碱 基 排 列 次 序, 实 际 上 是 携 带 遗 传 信 息 的 密 码 在 一 个 比 较 长 的 分 子 中, 通 过 交 换 不 同 的 碱 基, 可 以 组 成 多 种 不 同 的 排 列 顺 序, 而 碱 基 不 同 的 排 列 顺 序, 则 表 现 出 不 同 的 遗 传 信 息 由 此 可 见, 碱 基 的 排 列 顺 序 与 遗 传 现 象 有 着 密 切 的 关 系 正 是 这 些 遗 传 信 息, 决 定 着 氨 基 酸 的 排 列 次 序, 进 而 决 定 着 蛋 白 质 的 化 学 结 构 和 生 物 学 功 能 科 学 家 们 还 发 现, 三 个 碱 基 可 以 决 定 一 种 氨 基 酸 ; 三 个 碱 基 组 成 一 个 三 联 体, 每 个 三 联 体 称 为 遗 传 的 密 码 子 ; 不 同 的 三 联 体, 表 示 不 同 的 密 码 子 如 今, 科 学 家 们 通 过 大 量 的 实 验 已 经 证 明, 尽 管 地 球 上 存 在 着 差 异 巨 大 的 各 种 各 样 的 生 命, 但 是 所 有 生 物 体 的 DNA 分 子, 它 们 的 四 种 碱 基 和 20 种 氨 基 酸 却 都 是 相 同 的 由 此 人 们 可 以 推 断 : 整 个 生 物 圈 存 在 着 同 样 的 遗 传 密 码 倘 若 事 实 果 真 如 此, 那 么, 人 类 关 于 遗 传 密 码 的 研 究 和 破 译 工 程, 将 被 视 为 自 达 尔 文 时 代 以 来, 在 生 物 学 领 域 中 最 令 人 瞩 目 的 重 大 事 件 在 人 类 发 展 的 史 册 上, 人 体 密 码 的 破 译 工 程 是 最 重 要 的 科 研 工 程 之 一, 堪 称 20 世 纪 最 伟 大 的 发 现, 这 其 中 的 功 劳 很 大 程 度 上 得 益 于 X 射 线 对 DNA 分 子 锐 利 的 洞 察 力

6 神 秘 的 DNA 2000 年 6 月 26 日, 在 人 类 发 展 的 史 册 上 是 永 远 值 得 纪 念 的 日 子 由 美 英 德 日 法 和 中 国 等 国 千 余 名 科 学 工 作 者, 经 过 近 10 年 艰 苦 卓 绝 的 工 作, 绘 制 出 的 第 一 幅 人 类 基 因 组 工 作 草 图, 在 这 一 天 公 布 于 世 了 这 一 庞 大 的 科 研 项 目, 合 作 国 家 之 多, 参 与 人 数 之 广, 在 科 学 研 究 领 域 是 前 所 未 有 的 这 一 复 杂 系 统 工 程 研 究 的 成 果, 标 志 着 人 类 基 因 组 遗 传 密 码 已 基 本 破 译 人 类 对 于 自 身 的 了 解 和 认 识, 从 此 揭 开 了 崭 新 的 篇 章 人 们 对 于 遗 传 现 象 的 认 识, 可 以 说 由 来 已 久 种 瓜 得 瓜, 种 豆 得 豆 真 可 谓 一 语 中 的, 这 是 人 们 对 于 遗 传 现 象 一 种 非 常 朴 素 的 表 达 随 着 科 学 技 术 的 发 展, 社 会 的 进 步, 人 类 对 于 遗 传 现 象 的 研 究 也 在 不 断 地 深 入 但 是, 遗 传 学 真 正 作 为 一 门 独 立 发 展 起 来 的 学 科, 却 始 于 20 世 纪 初 期 尤 其 是 作 为 遗 传 物 质 基 因 的 发 现, 为 遗 传 现 象 的 深 入 研 究 增 添 了 新 的 内 涵, 也 给 遗 传 学 的 发 展 带 来 了 勃 勃 生 机 美 国 著 名 的 生 物 学 家 沃 森 博 士 和 英 国 杰 出 的 物 理 学 家 克 里 克, 经 过 多 年 的 研 究, 于 1953 年 4 月 提 出 了 闻 名 于 世 的 DNA 双 螺 旋 结 构 模 型 他 们 指 出, 基 因 组 的 成 分 就 是 DNA 分 子 这 样, 基 因 的 化 学 本 质 就 一 目 了 然 了 遗 传 学 的 研 究 也 从 此 步 入 了 一 个 全 新 的 阶 段 分 子 遗 传 学 发 展 的 新 时 代 沃 森 和 克 里 克 的 发 现, 堪 称 现 代 生 物 学 最 重 大 的 成 就 之 一, 完 全 可 以 与 达 尔 文 的 进 化 论 孟 德 尔 的 遗 传 定 律 相 媲 美 他 们 的 这 一 重 大 发 现, 深 刻 地 改 变 了 传 统 遗 传 学 的 面 貌, 将 遗 传 学 的 研 究 从 细 胞 的 水 平, 一 下 提 升 到 了 分 子 的 水 平, 遗 传 学 的 研 究 开 始 旧 貌 换 新 颜, 这 为 分 子 遗 传 学 的 建 立 和 发 展, 奠 定 了 有 利 的 基 础 DNA 是 什 么 呢? 这 是 人 们 非 常 关 心 的 一 件 事 情, 也 是 近 年 来 人 们 谈 论 最 多 的 一 个 话 题 DNA 是 脱 氧 核 糖 核 酸 英 文 名 字 的 缩 写 形 式 它 是 绝 大 多 数 生 物 体 的 遗 传 物 质 当 然, 也 有 少 数 的 生 物, 它 们 的 遗 传 物 质 不 是 DNA, 而 是 另 外 一 种 物 质, 称 为 核 糖 核 酸, 英 文 名 字 的 缩 写 是 RNA 遗 传 物 质 的 单 元 是 基 因, 作 为 基 因 载 体 的 染 色 体, 它 的 主 要 成 分 就 是 DNA 和 组 蛋 白 我 们 通 常 所 说 的 遗 传 信 息 就 蕴 藏 在 DNA 分 子 中 DNA 这 种 遗 传 物 质, 在 亲 代 和 子 代 之 间 具 有 连 续 性, 它 携 带 着 亲 代 的 全 部 基 因, 控 制 着 子 代 的 生 长 发 育 这 就 是 种 瓜 得 瓜, 种 豆 得 豆 的 秘 密 所 在 由 此 人 们 不 难 看 出,DNA 这 种 物 质, 在 遗 传 中 扮 演 着 多 么 重 要 的 角 色 因 此, 关 于 DNA 结 构 性 质 及 其 功 能 的 研 究, 是 分 子 遗 传 学 中 一 项 基 础 工 程

7 早 在 19 世 纪 60 年 代, 瑞 士 一 位 化 学 家 米 歇 尔, 就 在 细 胞 核 中 观 察 到 一 种 前 人 还 不 曾 知 道 的 物 质, 这 种 物 质 里 面 含 有 丰 富 的 磷, 当 时 取 名 为 核 酸 到 了 20 世 纪 初 期, 人 们 经 过 反 复 研 究 发 现, 核 酸 普 遍 存 在 于 动 植 物 的 细 胞 中 按 照 核 酸 的 结 构, 它 被 划 分 为 两 大 类 : 一 类 是 核 糖 核 酸 (RNA); 另 一 类 是 脱 氧 核 糖 核 酸 (DNA) 这 两 类 核 酸 的 化 学 成 分 几 乎 是 一 样 的, 它 们 之 间 仅 存 在 着 一 些 微 小 的 差 别 然 而, 正 是 由 于 在 化 学 结 构 方 面 它 们 表 现 出 来 的 这 微 小 差 异, 使 得 它 们 在 生 物 功 能 方 面, 却 表 现 出 很 大 的 不 同 : 首 先,DNA 几 乎 全 部 存 在 于 染 色 体 上, 而 染 色 体 只 存 在 于 细 胞 核 内 ;RNA 则 不 一 样, 它 存 在 于 细 胞 核 的 外 部, 位 于 原 生 质 中 其 次,DNA 分 子 基 本 结 构 的 单 元 是 脱 氧 核 苷 酸, 它 含 有 碱 基 磷 酸 和 脱 氧 核 酸 其 中 的 碱 基 有 四 种, 它 们 分 别 是 腺 嘌 呤 (A) 鸟 嘌 呤 (C) 胞 嘧 啶 (C) 和 胸 腺 嘧 啶 (T) DNA 分 子 的 功 能 主 要 表 现 在 两 个 方 面 : 一 个 是 自 我 催 化 功 能 通 过 亲 代 DNA 分 子 严 格 的 碱 基 顺 序 的 复 制, 把 产 生 的 遗 传 信 息 传 给 下 一 代 ; 另 一 个 功 能 是 异 体 催 化 作 用 DNA 分 子 通 过 控 制 或 主 导 有 机 体 一 系 列 的 生 化 反 应, 将 遗 传 信 息 表 达 出 来 这 些 遗 传 功 能,DNA 分 子 是 怎 样 完 成 的 呢? 为 了 揭 开 其 中 的 奥 秘, 人 们 需 要 对 DNA 分 子 的 内 部 结 构 进 行 深 入 的 研 究 不 仅 要 知 道 DNA 分 子 的 化 学 组 成, 而 且 还 需 要 详 细 探 索 DNA 分 子 在 三 维 空 间 的 结 构 特 征 只 有 这 样, 才 能 够 很 好 地 认 识 遗 传 信 息 传 递 过 程 的 物 理 基 础 对 DNA 分 子 结 构 的 研 究,X 射 线 发 挥 了 非 常 重 要 的 作 用 前 面 我 们 曾 经 谈 到 过, 布 拉 格 父 子 在 X 射 线 研 究 方 面 取 得 了 很 大 的 成 就 后 来, 在 X 射 线 晶 体 衍 射 的 基 础 上, 他 们 又 创 立 了 X 射 线 晶 体 学 运 用 这 套 比 较 完 整 的 结 构 分 析 理 论 和 方 法, 人 们 成 功 地 测 定 了 一 些 相 当 复 杂 的 分 子 的 结 构 这 些 基 础 性 的 工 作, 为 揭 开 DNA 生 物 大 分 子 内 部 结 构 的 秘 密, 提 供 了 有 利 的 条 件 科 学 研 究 如 同 接 力 赛 跑, 在 前 人 工 作 的 基 础 上, 人 们 又 开 始 对 X 射 线 在 DNA 分 子 中 的 衍 射 图 像 进 行 了 分 析 经 过 了 十 几 年 的 努 力, 人 们 终 于 搞 清 楚 了 DNA 分 子 在 三 维 空 间 的 结 构 图 像 原 子 的 指 纹 在 人 类 探 索 物 质 微 观 结 构 的 进 程 中, 人 们 认 识 最 早 的 粒 子 便 是 原 子 从 15 世 纪 下 半 叶 起, 随 着 自 然 科 学 的 不 断 发 展, 人 们 通 过 对 大 量 的 物 理 现 象 和 化 学 现 象 的 深 入 研 究, 已 经 认

8 识 到 了 原 子 的 实 在 性 特 别 是 通 过 物 质 化 学 运 动 方 面 的 研 究, 人 们 不 仅 认 识 了 原 子 许 多 基 本 的 特 性, 而 且, 也 认 识 到 原 子 本 身 是 多 种 多 样 的 但 是, 那 个 时 候 人 们 一 向 认 为, 原 子 是 构 成 世 间 万 物 的 不 能 够 再 分 的 原 始 物 质 正 是 这 些 原 子 构 成 了 天 体 我 们 的 地 球 以 及 自 然 界 中 的 一 切, 也 包 括 了 声 光 电, 甚 至 连 社 会 现 象 和 思 维 现 象 都 可 以 归 结 为 原 子 的 机 械 运 动 总 之, 人 们 认 为 原 子 是 构 成 世 间 一 切 一 切 的 最 小 单 元 这 幅 原 子 世 界 图 景, 虽 然 可 以 使 人 们 了 解 到 原 子 世 界 的 绚 丽 多 彩, 但 是 它 却 制 约 着 人 们 对 物 质 世 界 更 深 层 次 的 认 识 与 探 索 按 照 原 子 论 的 学 说, 各 种 原 子 没 有 质 的 区 别, 只 有 大 小 形 状 和 位 置 的 差 异, 这 些 原 子 始 终 处 于 永 不 停 息 的 运 动 之 中, 它 们 以 各 种 不 同 的 方 式 相 互 结 合, 从 而 可 以 构 成 五 颜 六 色 的 大 自 然 截 止 到 目 前, 人 们 已 经 认 识 到, 自 然 界 中 的 各 种 物 质 是 由 100 多 种 最 基 本 的 物 质 单 元 构 成 的, 人 们 通 常 称 这 些 单 元 为 元 素, 比 如, 氧 元 素 氢 元 素 铁 元 素 好 像 音 乐 简 谱 中 的 七 个 音 符, 由 这 几 个 小 小 的 音 符, 便 可 以 组 成 人 间 众 多 的 美 妙 动 人 的 旋 律 ; 同 样, 由 这 些 元 素 也 可 以 构 成 种 类 繁 多 的 物 质 世 界 每 一 种 元 素 都 有 一 种 原 子 与 之 对 应, 同 一 种 元 素 的 原 子 具 有 相 同 的 性 质, 它 们 的 大 小 形 状 和 质 量 完 全 一 样 ; 而 不 同 元 素 的 原 子, 它 们 的 性 质 则 各 异 目 前, 连 同 各 种 元 素 的 同 位 素 在 内, 原 子 的 总 数 已 多 达 几 百 种, 其 中 大 部 分 是 自 然 界 存 在 的 在 元 素 周 期 表 中,92 号 元 素 以 后 的 各 个 元 素, 都 是 通 过 人 工 方 法 制 造 出 来 的 电 子 发 现 以 后, 揭 开 了 原 子 的 秘 密 原 子 世 界 仅 仅 是 物 质 微 观 结 构 中 的 一 个 层 次 随 着 现 代 科 学 技 术 的 飞 速 进 步, 尤 其 是 原 子 核 物 理 学 科 的 建 立 与 发 展, 原 子 世 界 内 部 的 奥 秘 越 来 越 多 地 被 揭 示 出 来 短 短 的 几 十 年 间, 人 们 在 探 索 原 子 世 界 方 面 已 经 取 得 了 巨 大 的 成 果, 一 幅 幅 美 妙 的 图 画 已 展 现 在 世 人 的 面 前 原 子 内 部 是 一 个 非 常 复 杂 的 系 统, 它 是 由 更 微 小 的 粒 子 构 成 的 1911 年, 英 国 物 理 学 家 卢 瑟 福 在 前 人 工 作 的 基 础 上, 结 合 实 验 研 究 的 成 果, 大 胆 地 提 出 了 原 子 有 核 模 型 的 新 思 想, 把 原 子 划 分 为 原 子 核 与 核 外 电 子 两 部 分 原 子 核 仅 占 据 原 子 中 心 很 小 一 部 分, 但 是, 它 却 集 中 了 原 子 99 9% 的 质 量 原 子 核 密 度 之 大, 真 是 令 人 惊 讶, 每 立 方 米 高 达 1017 千 克 如 果 把 原 子 核 一 个 一 个 地 排 列 起 来, 装 满 一 个 小 小 的 火 柴 盒, 那 么, 这 个 火 柴 盒 的 质 量 相 当 于 整 个 喜 马 拉 雅 山 的 总 质 量 这 样 高 密 度 的 物 体, 在 地 球 上, 人 们 还 从 未 发 现 过 只 有 在 浩 瀚 无 垠 的 宇 宙 间, 才 能 够 找 到 它 们 的 踪 影, 像 中 子 星 黑 洞 等 这 些 天 体, 它 们 的 质 量 密 度 可 以 达 到 这 样 的 数 量 级

9 自 然 界 中 为 数 众 多 的 原 子, 它 们 的 结 构 类 似, 长 得 模 样 都 差 不 多, 那 么, 人 们 怎 样 才 能 准 确 地 区 分 它 们 呢? 要 想 做 到 这 一 点, 需 要 设 法 找 到 每 一 种 原 子, 它 们 最 具 代 表 性 的 特 征 是 什 么 只 要 知 道 了 这 些 不 同 原 子 的 特 征 标 记, 就 等 于 掌 握 了 分 辨 它 们 的 方 法 原 子 的 这 种 特 征 标 志 就 好 比 人 的 指 纹 一 样, 尽 管 每 个 人 的 手 外 形 长 得 都 差 不 多, 然 而, 它 们 的 指 纹 却 截 然 不 同 每 个 人 都 有 自 己 独 特 的 指 纹, 因 此, 指 纹 便 是 区 分 每 一 个 人 非 常 重 要 的 标 记 读 者 会 有 这 样 的 常 识, 公 安 人 员 在 办 案 的 时 候, 常 常 会 在 蛛 丝 马 迹 当 中, 依 据 作 案 人 员 留 下 的 小 小 指 纹, 可 以 获 得 意 想 不 到 的 结 果, 对 侦 破 案 情 往 往 会 起 到 关 键 的 作 用 对 于 原 子 来 说, 究 竟 什 么 是 区 分 它 们 的 标 记 呢? 也 就 是 说, 原 子 的 指 纹 是 什 么 呢? 英 国 的 一 位 物 理 学 家 诺 贝 尔 物 理 学 奖 获 得 者 格 洛 维 巴 克 拉 圆 满 地 解 决 了 这 个 神 秘 的 问 题 科 学 家 们 在 实 验 中 发 现, 任 何 一 个 带 电 粒 子, 当 它 做 加 速 运 动 的 时 候, 会 不 断 地 以 发 射 光 子 的 形 式, 向 外 辐 射 能 量 若 将 X 射 线 管 与 电 源 相 联 接, 阴 极 发 射 出 来 的 电 子, 在 电 场 力 的 作 用 下, 会 获 得 很 高 的 能 量 这 些 电 子 在 与 阳 极 板 相 撞 时, 由 于 遇 到 了 障 碍 物, 电 子 运 动 急 剧 改 变, 会 产 生 很 大 的 加 速 度 这 样, 电 子 就 会 不 断 地 向 外 释 放 能 量, 这 正 是 前 面 讲 到 的 X 射 线 产 生 的 情 况 科 学 家 们 进 一 步 研 究 发 现, 当 X 射 线 管 接 入 的 电 压 比 较 低 的 时 候, 产 生 的 X 射 线 光 谱 是 连 续 变 化 的, 而 且, 不 论 阳 极 板 是 用 什 么 金 属 材 料 制 成 的, 产 生 的 光 谱 是 一 样 的, 均 为 连 续 光 谱 但 是, 如 果 接 入 的 电 压 足 够 高 的 话, 情 况 就 完 全 不 同 了, 这 时, 形 成 的 X 射 线 光 谱 不 再 连 续 变 化, 而 是 形 成 独 立 的 光 谱, 即 光 谱 线 是 一 条 一 条 分 开 的, 人 们 将 这 种 光 谱 称 为 线 状 光 谱 采 用 不 同 材 料 制 作 的 阳 极 板, 实 验 中 观 察 到 的 线 状 光 谱 完 全 不 同 例 如, 用 金 属 钼 制 作 的 阳 极 板 与 金 属 钨 制 作 的 阳 极 板, 产 生 的 线 状 光 谱 存 在 着 明 显 的 差 异 这 一 实 验 结 果, 给 予 人 们 很 大 的 启 示, 为 探 寻 区 分 原 子 的 方 法 指 出 了 方 向 因 为 任 何 一 种 阳 极 板, 制 作 它 的 材 料 都 是 由 原 子 组 成 的, 使 用 的 材 料 不 同, 其 原 子 自 然 不 一 样 比 如, 钼 原 子 与 钨 原 子 是 性 质 不 同 的 两 种 原 子 由 此 表 明, 不 同 的 原 子 形 成 的 线 状 光 谱 是 不 一 样 的 通 过 大 量 的 反 复 的 实 验, 人 们 惊 奇 地 发 现 : 每 一 种 原 子 都 有 自 己 特 定 的 线 状 光 谱 ; 不 同 的 原 子, 它 们 的 线 状 光 谱 彼 此 都 是 不 一 样 的 因 此, 人 们 通 常 把 这 类 光 谱 称 为 原 子 的 特 征 光 谱, 或 者 叫 做 原 子 的 标 识 光 谱 原 子 特 征 光 谱 的 发 现, 为 人 们 区 分 和 鉴 别 原 子 提 供 了 有 效 的 方 法 和 手 段 这 正 如 人 的 指 纹 一 样, 特 征 光 谱 就 是 原 子 的 指 纹, 是 原 子 身 份 的 标 志, 这 也 就 是 原 子 标 识 光 谱 名 称 的 由 来 如 今, 通 过 实 验, 人 们 已 经 将 每 一 种 原 子 的 标 识 光 谱 制 作 出 来 了 这 样, 在 鉴 别 原 子 的

10 时 候, 只 需 制 出 这 种 原 子 的 特 征 光 谱, 再 与 已 知 的 各 种 原 子 的 标 识 光 谱 相 对 照, 按 号 入 座, 即 可 确 定 原 子 的 身 份 了 巴 克 拉 这 一 杰 出 的 研 究 成 果, 具 有 非 常 重 要 的 意 义 在 以 后 的 学 习 中, 我 们 会 逐 渐 地 认 识 到, 它 不 仅 为 以 后 几 年 中 发 展 X 射 线 波 谱 奠 定 了 有 力 的 基 础, 而 且, 还 导 致 了 一 些 新 现 象 的 发 现, 从 而 拓 宽 了 X 射 线 应 用 的 领 域 X 射 线 标 识 光 谱 的 研 究, 则 是 巴 克 拉 一 生 中 主 要 的 追 求 方 向, 他 也 为 此 付 出 了 许 多 艰 辛 的 劳 动, 取 得 了 令 世 人 瞩 目 的 成 就 在 这 方 面, 他 成 为 负 有 国 际 声 望 的 先 驱 者, 荣 获 了 1917 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 至 此, 有 人 会 进 一 步 提 出 这 样 的 问 题, 原 子 的 特 征 光 谱 究 竟 是 怎 样 产 生 的 呢? 广 大 读 者 一 定 很 关 心 这 个 话 题 为 了 让 大 家 搞 清 楚 这 个 问 题 的 来 龙 去 脉, 还 得 从 原 子 的 内 部 结 构 谈 起 原 子 中 的 电 子, 分 布 在 以 原 子 核 为 中 心 的 一 个 一 个 的 壳 层 上, 每 个 壳 层 中, 允 许 容 纳 的 电 子 数 是 一 定 的 原 子 的 这 种 结 构, 被 人 们 称 做 原 子 的 壳 层 结 构 当 电 子 填 满 某 个 壳 层 或 支 壳 层 以 后, 这 些 填 满 了 电 子 的 壳 层 或 支 壳 层, 与 原 子 核 一 起 形 成 了 一 个 稳 定 的 集 体, 叫 做 原 子 实 对 于 原 子 实 来 说, 丢 掉 一 个 电 子, 或 从 原 子 实 外 得 到 一 个 电 子, 都 是 不 容 易 的 如 果 原 子 实 受 到 外 来 的 高 能 量 光 子 流 的 照 射, 或 者 受 到 高 能 量 粒 子 的 撞 击, 原 子 实 中 的 某 个 电 子 被 电 离 了, 那 么, 这 个 电 子 脱 离 了 原 子 实 以 后, 它 原 来 占 据 的 位 置 就 空 了 出 来 ; 由 于 出 现 了 空 位, 原 子 实 以 外 的 电 子 就 有 机 会 跳 到 这 个 空 位 中 电 子 这 么 一 跳, 随 着 电 子 位 置 的 改 变, 电 子 的 状 态 发 生 了 变 化, 电 子 前 后 相 应 的 两 个 状 态 的 能 量 自 然 不 一 样, 改 变 的 能 量 便 以 光 子 的 形 式 向 外 释 放, 从 而 产 生 了 一 条 光 谱 线 如 果 一 个 原 子 实 中, 同 时 有 多 个 电 子 的 位 置 发 生 了 改 变 ; 或 者 不 同 的 原 子 实 中, 都 有 电 子 的 位 置 发 生 改 变, 这 种 情 况 下, 便 会 产 生 许 多 条 光 谱 线, 从 而 形 成 了 线 状 光 谱 不 同 的 原 子, 具 有 各 自 的 壳 层 结 构 因 而, 它 们 的 原 子 实 的 构 成 也 存 在 着 一 定 的 差 异 ; 当 不 同 的 原 子 实 内 部 发 生 电 子 跃 迁 的 时 候, 就 产 生 了 各 自 不 同 的 X 射 线 光 谱 这 样, 每 一 种 原 子 都 会 有 自 己 独 特 的 光 谱 标 识 光 谱 可 见, 这 种 光 谱 是 原 子 内 层 电 子 跃 迁 产 生 的, 与 价 电 子 无 关 原 子 指 纹 的 存 在, 对 于 物 质 结 构 的 研 究 分 辨 各 种 不 同 的 原 子 鉴 别 新 原 子 等 方 面, 都 有 着 重 要 的 作 用 运 用 这 种 方 法, 不 仅 简 便 省 时 易 行, 而 且 其 灵 敏 度 和 准 确 度 都 非 常 高 这 种 方 法 在 采 矿 冶 金 化 工 等 许 多 部 门 有 着 广 泛 的 应 用

11 两 种 探 测 器 探 测 仪 器 种 类 繁 多, 功 能 齐 全 按 照 它 们 的 作 用, 粒 子 探 测 装 置 可 分 为 两 类 一 类 属 于 计 数 器, 这 类 探 测 器 专 门 用 来 记 录 射 线 粒 子 的 数 目, 从 而 为 定 量 的 分 析 研 究 工 作 提 供 可 靠 的 数 据 这 种 探 测 器 具 有 确 定 的 空 间, 灵 敏 度 比 较 高, 具 有 很 强 的 时 间 分 辨 本 领, 可 以 对 大 量 的 粒 子 进 行 统 计 测 量 这 是 因 为 探 测 器 充 有 气 体 液 体 或 固 体 等 灵 敏 物 质, 当 带 电 粒 子 穿 过 这 种 灵 敏 的 空 间 时, 计 数 器 就 会 产 生 一 个 短 暂 的 电 脉 冲 因 此, 实 验 人 员 就 可 以 利 用 电 子 技 术 记 录 下 这 个 脉 冲, 为 此 人 们 称 这 种 探 测 装 置 为 计 数 器 还 有 一 类 探 测 器 用 来 显 示 粒 子 运 动 的 径 迹, 它 可 以 清 楚 地 显 示 出 粒 子 运 动 的 路 线, 所 以 人 们 叫 它 径 迹 探 测 器 科 学 家 们 通 常 利 用 照 相 的 办 法 记 录 下 粒 子 的 径 迹 一 个 粒 子 与 照 相 胶 片 或 单 块 照 相 乳 胶 的 若 干 感 光 胶 粒 反 应, 再 将 这 张 胶 片 或 乳 胶 块 显 影, 就 可 以 显 示 出 粒 子 的 行 径 径 迹 探 测 器 为 人 们 观 测 记 录 各 种 粒 子 的 行 为 提 供 了 有 利 的 条 件, 对 于 单 个 粒 子 或 原 子 核 反 应 的 研 究 是 非 常 有 益 的 早 期 计 数 器 记 录 粒 子 的 信 息 比 较 简 单, 所 记 录 下 的 信 息 很 有 限 现 代 计 数 器 的 计 数 速 度 极 高, 因 此 可 以 记 录 到 小 于 10 微 秒 的 时 间 内 的 事 件 一 个 体 积 约 为 30 升 的 现 代 径 迹 检 测 器 可 以 记 录 一 个 粒 子 通 过 时 的 情 况, 它 的 每 个 点 产 生 的 误 差 约 为 几 个 微 米 相 比 较 而 言, 计 数 器 与 径 迹 探 测 器 都 有 各 自 的 特 点, 实 验 人 员 大 都 根 据 具 体 的 情 况, 设 计 或 改 进 不 同 的 探 测 技 术 探 测 技 术 是 实 验 物 理 学 的 重 要 组 成 部 分, 尤 其 在 高 能 物 理 学 和 天 体 物 理 学 实 验 中 发 挥 着 更 加 重 要 的 作 用 随 着 科 学 技 术 不 断 的 发 展, 探 测 技 术 将 日 臻 完 善 神 秘 的 光 电 倍 增 管 科 学 家 们 在 对 原 子 结 构 的 早 期 研 究 中, 闪 烁 方 法 曾 发 挥 过 重 要 的 作 用 20 世 纪 初, 卢 瑟 福 在 进 行 e 粒 子 散 射 实 验 时 发 现, 粒 子 通 过 金 箔 发 生 散 射 后, 打 在 闪 烁 材 料 制 作 的 光 屏 上, 就 可 引 起 闪 烁 于 是 卢 瑟 福 等 人 就 借 助 放 大 镜 或 显 微 镜, 在 暗 室 中 用 肉 眼 观 测 闪 烁 次 数 来 计 数 这 种 方 法 现 在 看 上 去 极 为 原 始, 但 却 被 科 学 家 们 使 用 了 四 分 之 一 个 世 纪, 它 在 早 期 原 子 结 构 的 探 索 中 起 过 很 大 的 作 用 到 了 20 世 纪 30 年 代, 由 于 盖 革 计 数 器 得 到 了 极 大 的 改 进, 气 体 放 电 计 数 管 技 术 获 得 很 大 发 展, 随 之 取 代 了 目 测 闪 烁 方 法, 以 至 于 目 测 闪 烁 法 成 了 一 个 历 史 名 词, 并 被 人 们 搁 置 了

12 15 年 之 久 然 而, 到 了 20 世 纪 40 年 代, 闪 烁 方 法 又 被 人 们 重 新 提 起 这 首 先 得 益 于 光 电 倍 增 管 技 术 的 发 展 在 第 二 次 世 界 大 战 期 间, 由 于 战 争 的 需 求, 光 电 信 增 管 被 用 于 噪 声 发 生 器, 以 达 到 对 雷 达 实 施 干 扰 的 目 的 这 大 大 刺 激 了 光 电 倍 增 管 的 大 量 生 产 与 应 用 但 战 争 一 结 束, 光 电 倍 增 管 的 用 量 也 就 大 大 减 少 了, 因 此, 就 造 成 光 电 倍 增 管 的 大 量 积 压 虽 然 光 电 倍 增 管 一 时 失 宠 了, 然 而 科 学 家 们 却 看 上 了 这 种 光 电 器 件, 科 学 家 们 发 现 它 对 一 些 弱 光 表 现 出 了 很 大 的 灵 敏 性, 将 它 与 硫 化 锌 闪 烁 体 一 起 使 用, 就 构 成 了 一 种 新 型 的 探 测 装 置 就 这 样, 这 种 新 的 探 测 装 置 又 使 闪 烁 方 法 复 活 了, 它 又 成 了 研 究 原 子 核 物 理 学 的 重 要 实 验 手 段 闪 烁 计 数 器 比 盖 革 计 数 器 要 复 杂 一 些, 它 是 由 两 部 分 组 成 的 它 的 上 半 部 分 是 涂 有 荧 光 物 质 的 圆 筒, 进 入 管 中 的 粒 子, 打 在 荧 光 物 质 上 就 会 发 出 闪 光, 这 有 利 于 科 学 家 们 的 观 察 它 的 下 半 部 分 是 一 个 密 封 的 圆 筒, 筒 内 安 装 有 10~12 个 阴 极 板 在 闪 烁 计 数 器 中, 它 是 人 们 观 察 荧 光 的 眼 睛, 名 叫 光 电 倍 增 管 闪 烁 计 数 器 记 数 的 方 法 与 盖 革 计 数 器 不 同 一 旦 有 粒 子 射 入 闪 烁 计 数 器 中, 打 到 荧 光 物 质 上 产 生 荧 光 这 荧 光 照 射 到 光 电 倍 增 管 的 阴 极 板 上, 就 会 有 光 电 子 释 放 出 来 这 些 光 电 子 在 电 场 中 被 加 速, 获 得 一 定 能 量 后, 紧 接 着 又 打 在 下 一 个 相 邻 的 阴 极 板 上, 又 有 新 的 电 子 产 生 由 于 光 电 倍 增 管 中 有 多 个 电 极, 在 电 子 连 续 作 用 下, 瞬 间 就 会 产 生 众 多 的 电 子, 光 电 倍 增 管 的 作 用 正 在 于 此 于 是 向 外 电 路 输 出 一 个 很 强 的 电 讯 号, 电 子 设 备 立 刻 记 录 下 来 依 照 记 录 到 的 电 脉 冲 的 数 目, 人 们 便 很 容 易 确 认 进 入 计 数 器 的 电 子 数 目 闪 烁 计 数 器 具 有 很 高 的 分 辨 本 领, 粒 子 与 粒 子 之 间 的 间 隔, 可 以 记 录 到 10-9 秒, 可 见 这 种 计 数 器 记 录 的 速 度 是 惊 人 的 使 用 闪 烁 计 数 器 不 但 能 够 记 录 粒 子 的 数 目, 而 且 还 可 以 根 据 电 脉 冲 的 强 弱, 分 析 粒 子 的 性 质, 测 定 入 射 粒 子 的 能 量 如 果 这 种 计 数 器 与 其 他 一 些 探 测 仪 器 配 合 使 用, 在 许 多 实 验 中 它 可 以 得 到 广 泛 的 应 用 盖 革 的 发 明 盖 革 计 数 器 是 一 种 构 造 比 较 简 单 使 用 起 来 很 方 便 的 一 种 计 数 器 利 用 这 种 计 数 器 可 对 带 电 粒 子 进 行 测 量, 其 性 能 稳 定, 效 率 高, 便 于 携 带, 因 此 颇 受 广 大 科 技 工 作 者 的 欢 迎 盖 革 是 德 国 人,24 岁 时 获 得 博 士 学 位 后 来 他 到 英 国 留 学 时, 当 上 了 著 名 科 学 家 卢 瑟 福 的 得 力 助 手 他 曾 协 助 卢 瑟 福 进 行 粒 子 散 射 实 验, 对 原 子 结 构 的 研 究 做 出 了 重 要 贡 献 当 第

13 一 次 世 界 大 战 爆 发 后, 盖 革 回 国, 并 参 加 了 炮 兵 部 队 此 后, 他 一 直 在 大 学 从 事 教 学 与 研 究 工 作 1928 年, 盖 革 发 明 了 一 种 新 型 的 计 数 管, 这 种 新 式 计 数 管 大 大 增 加 了 探 测 γ 射 线 的 能 力, 这 就 是 盖 革 计 数 管, 或 称 盖 革 计 数 器 由 于 盖 革 与 卢 瑟 福 之 间 保 持 着 友 好 的 师 生 关 系, 他 将 制 作 的 两 支 新 计 数 管 送 给 了 卢 瑟 福 盖 革 计 数 器 的 主 要 部 分 是 计 数 器 它 是 在 一 个 密 闭 的 圆 筒 中, 装 着 两 个 电 极 为 了 使 用 方 便, 通 常 将 管 壁 当 作 阴 极 也 有 的 计 数 管 是 用 玻 璃 制 成 的, 里 面 有 一 个 导 电 的 圆 筒 作 为 阴 极 有 的 计 数 管 将 金 属 直 接 涂 在 玻 璃 管 的 内 壁 上, 用 来 当 作 计 数 器 的 阴 极 不 论 哪 一 种 形 式 的 计 数 管, 在 管 的 轴 心 都 装 有 一 根 细 的 钨 丝, 作 为 计 数 管 的 阳 极 在 计 数 管 中, 一 般 装 有 少 量 的 惰 性 气 体 和 其 他 一 些 多 原 子 分 子 的 蒸 气 例 如, 压 强 为 140 万 帕 的 圆 筒 中, 一 般 充 入 90% 的 氩 气 和 10% 的 酒 精 或 溴 气 为 了 使 一 些 穿 透 本 领 比 较 小 的 射 线 也 能 够 进 入 管 中, 有 的 计 数 管 还 在 圆 筒 的 一 端 加 上 一 个 薄 的 云 母 窗 计 数 管 的 两 极 之 间, 加 上 1800~1500 伏 的 直 流 电 压, 这 个 电 压 数 值 略 低 于 管 中 气 体 被 击 穿 时 所 需 要 的 电 压 值 当 带 电 粒 子 进 入 计 数 管 时, 与 管 内 气 体 分 子 相 碰, 使 气 体 分 子 电 离, 这 一 过 程 叫 做 初 级 电 离 电 离 出 的 电 子 向 中 心 丝 ( 阳 极 ) 运 动 中, 被 电 场 加 速, 使 其 能 量 逐 渐 增 加 当 电 子 的 能 量 达 到 一 定 数 值 时, 又 与 其 他 气 体 分 子 相 撞, 产 生 新 的 电 离, 称 为 次 级 电 离, 于 是 产 生 许 多 次 级 电 子 在 众 多 新 旧 电 子 的 共 同 作 用 之 下, 将 会 有 大 量 的 分 子 电 离 这 种 连 锁 式 反 应, 常 常 被 称 为 雪 崩 式 电 离, 并 伴 随 有 大 量 的 光 子 产 生 由 于 这 些 光 子 的 能 量 比 较 大, 其 中 绝 大 部 分 能 量 被 管 中 多 原 子 分 子 吸 收, 这 些 多 原 子 分 子 同 时 就 会 释 放 出 电 子 来 这 种 在 光 子 作 用 下 产 生 的 电 子 叫 做 光 电 子 在 光 电 子 作 用 下 又 会 引 发 新 的 电 离 由 此 可 见, 当 一 个 带 电 粒 子 进 入 计 数 管 以 后, 瞬 间 就 会 产 生 大 量 电 子 和 阳 离 子 当 它 们 分 别 涌 向 中 心 丝 和 阴 极 板 时, 计 数 器 便 会 发 生 一 次 短 暂 的 放 电, 从 而 产 生 一 个 比 较 大 的 电 信 号, 并 在 电 子 电 路 中 获 得 一 个 电 脉 冲, 运 用 电 子 设 备 将 这 个 电 脉 冲 记 录 下 来, 人 们 就 可 以 直 接 观 测 到 每 当 带 电 粒 子 进 入 计 数 管 就 会 产 生 一 个 电 脉 冲, 于 是 人 们 依 据 记 录 到 的 电 脉 冲 数 目, 即 可 确 定 进 入 管 中 的 粒 子 个 数 由 于 这 种 计 数 器 灵 敏 度 高, 使 用 方 便, 体 积 又 小, 早 已 被 广 泛 采 用

14 威 尔 逊 的 功 劳 在 各 种 探 测 仪 器 中, 云 室 是 使 用 比 较 早 的 一 种 探 测 仪 器 经 过 不 断 的 改 进 和 完 善, 云 室 在 粒 子 探 测 中 发 挥 了 重 要 的 作 用 说 到 云 室, 人 们 首 先 想 到 的 是 英 国 物 理 学 家 查 尔 斯 威 尔 逊 在 威 尔 逊 很 小 的 时 候, 他 的 父 亲 便 去 世 了 这 时 他 的 家 就 搬 到 了 曼 彻 斯 特, 威 尔 逊 的 教 育 主 要 是 在 这 里 完 成 的 他 先 后 学 习 了 地 质 学 植 物 学 和 动 物 学, 他 还 想 过 当 医 生 当 转 学 到 剑 桥 大 学 后, 他 对 物 理 学 和 化 学 又 发 生 了 兴 趣 1894 年 暑 假 期 间, 威 尔 逊 志 愿 到 本 尼 维 斯 山 气 象 站 参 加 观 测 活 动 本 尼 维 斯 山 是 英 国 的 最 高 山 峰, 他 在 这 里 过 得 非 常 愉 快 在 清 晨, 威 尔 逊 站 在 高 山 之 巅 欣 赏 着 周 围 的 美 景, 特 别 是 山 顶 很 容 易 形 成 的 一 种 奇 特 的 雾 景 云 雾 效 应, 这 使 他 对 云 雾 的 形 成 机 制 发 生 了 浓 厚 的 兴 趣 他 想, 能 不 能 在 实 验 室 里 复 现 这 种 奇 特 的 景 观 呢? 所 谓 云 就 是 一 种 细 小 的 水 滴 雾, 它 是 由 空 气 中 的 尘 埃 粒 子 所 形 成 的 在 实 验 室 中, 威 尔 逊 使 潮 湿 的 空 气 在 密 闭 的 容 器 中 膨 胀 由 于 与 外 界 隔 绝, 在 膨 胀 时 空 气 的 温 度 降 低 了, 因 此 部 分 湿 气 ( 小 水 滴 ) 就 凝 聚 成 雾 或 云 若 威 尔 逊 充 入 的 是 无 尘 埃 的 空 气, 云 就 不 能 形 成 了 所 以, 人 们 也 把 这 种 尘 埃 称 做 凝 聚 核 至 于 无 尘 的 潮 湿 空 气, 在 膨 胀 和 冷 却 的 过 程 中 保 持 过 饱 和 状 态, 当 达 到 一 种 临 界 状 态 时, 云 才 能 形 成 因 此 威 尔 逊 想, 在 无 尘 的 空 气 中, 只 有 离 子 才 能 在 周 围 凝 聚 成 小 水 滴 这 些 带 电 的 离 子 起 着 凝 聚 核 的 作 用, 普 通 的 中 性 分 子 则 不 具 有 这 种 凝 聚 的 作 用 在 威 尔 逊 进 行 云 的 研 究 时, 德 国 科 学 家 伦 琴 发 现 了 X 射 线, 不 久 法 国 科 学 家 贝 克 勒 尔 又 发 现 了 铀 的 放 射 性 威 尔 逊 想, 这 些 射 线 可 以 在 空 气 中 产 生 电 离 效 应, 带 电 离 子 在 无 尘 的 湿 气 中 能 不 能 产 生 云 雾 的 效 应 呢? 他 一 试,X 射 线 果 然 在 潮 湿 的 空 气 中 出 现 了 浓 密 的 云 雾 就 这 样, 威 尔 逊 关 于 带 电 离 子 可 以 充 当 凝 聚 核 的 观 点 得 到 了 证 明 威 尔 逊 的 初 步 成 功 使 他 坚 定 了 信 心, 他 要 研 制 成 一 种 能 观 测 带 电 粒 子 的 云 雾 装 置 大 约 经 过 了 十 年 的 实 验 与 改 进, 他 终 于 研 制 成 功 了 这 样 的 装 置 带 电 粒 子 在 高 速 行 进 时, 借 助 他 的 这 种 装 置 就 可 以 观 测 到 粒 子 的 踪 迹 这 是 由 于 这 种 高 速 行 进 的 粒 子 不 会 造 成 大 片 的 云 雾, 而 是 只 形 成 一 串 小 水 滴, 这 种 小 水 滴 恰 到 好 处 地 显 示 出 了 粒 子 运 动 的 轨 迹 由 于 这 是 利 用 小 水 滴 ( 云 雾 ) 显 示 粒 子 径 迹 的, 所 以 人 们 就 叫 它 云 雾 室 或 云 室 又 由 于 这 是 威 尔 逊 发 明 的, 所 以 它 也 被 称 为 威 尔 逊 云 室

15 就 这 样, 威 尔 逊 为 人 们 发 明 了 一 种 有 效 的 研 究 原 子 结 构 的 工 具, 威 尔 逊 也 因 此 获 得 了 1927 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 威 尔 逊 云 室 的 主 要 部 分 是 一 个 用 玻 璃 或 塑 料 制 成 的 圆 柱 形 密 闭 容 器 容 器 内 装 有 能 够 上 下 移 动 的 活 塞, 容 器 的 上 盖 是 透 明 的, 用 于 观 察 云 室 内 发 生 的 现 象 和 进 行 拍 照 容 器 内 充 有 清 洁 的 空 气 或 者 其 他 的 气 体, 同 时 加 入 少 量 的 水 与 酒 精 或 乙 醚 云 室 的 工 作 原 理 并 不 复 杂, 使 用 起 来 也 比 较 方 便 云 室 处 于 工 作 状 态 时, 首 先 将 活 塞 迅 速 向 下 移 动, 在 云 室 还 没 有 来 得 及 与 外 界 交 换 热 量 的 情 况 下, 室 内 的 气 压 突 然 降 低, 使 得 云 室 内 混 合 蒸 汽 达 到 过 饱 和 的 状 态 如 果 在 这 一 瞬 间, 恰 好 有 带 电 粒 子 闯 入 室 内, 与 室 内 的 气 体 分 子 发 生 碰 撞, 于 是 产 生 电 离 这 些 离 子 成 为 过 饱 和 蒸 汽 的 凝 聚 核, 这 样, 在 粒 子 运 动 的 路 程 上, 就 会 形 成 一 串 雾 迹 人 们 从 云 室 上 端 的 透 明 窗, 可 以 直 接 观 察 到 带 电 粒 子 的 径 迹, 也 可 以 用 摄 像 机 将 带 电 粒 子 留 下 的 踪 迹 记 录 下 来 假 如 进 入 云 室 的 粒 子 是 质 量 比 较 大 的 粒 子, 这 种 粒 子 具 有 很 强 的 电 离 本 领, 在 1 厘 米 的 路 程 中, 大 约 能 够 将 个 分 子 电 离 而 粒 子 在 气 体 中 运 动 时, 又 不 容 易 改 变 方 向, 因 此 记 录 到 的 粒 子 径 迹 粗 而 直 若 闯 入 的 是 β 粒 子, 情 况 就 不 一 样 了 β 粒 子 质 量 要 比 粒 子 小 得 多, 它 与 气 体 分 子 相 互 作 用 时, 运 动 方 向 很 容 易 改 变 ; 另 外,β 粒 子 电 离 的 本 领 比 粒 子 差 得 多 这 样, 在 云 室 中 拍 摄 到 的 β 粒 子 的 径 迹 比 较 细, 而 且 有 时 还 会 发 生 弯 曲 至 于 γ 光 子, 它 是 中 性 的 小 粒 子, 电 离 能 力 微 不 足 道 当 光 子 通 过 云 室 时, 只 能 记 录 到 一 些 细 碎 的 雾 迹 如 果 将 云 室 放 置 在 比 较 强 的 磁 场 中, 进 入 到 云 室 中 的 带 电 粒 子 在 磁 场 的 作 用 下, 运 动 的 方 向 就 会 发 生 改 变 根 据 粒 子 在 磁 场 中 运 动 轨 迹 的 粗 细 长 短 和 弯 曲 情 况, 人 们 能 够 从 中 获 得 有 关 粒 子 的 许 多 信 息, 也 可 以 分 辨 不 同 的 带 电 粒 子, 还 可 能 发 现 新 的 粒 子 狄 拉 克 方 程 现 在 看 来, 云 室 的 结 构 是 很 简 单 的, 但 自 从 1911 年 云 室 问 世 以 来, 它 却 是 一 件 攻 克 现 代 科 学 堡 垒 的 锐 利 武 器 特 别 是 在 早 期 对 基 本 粒 子 的 研 究 中, 云 室 更 是 不 可 或 缺 的 科 学 家 们 利 用 它 曾 发 现 过 许 多 粒 子, 其 中 包 括 μ- μ ko Λ Ξ- 等 在 高 能 物 理 学 和 宇 宙 线 的 研 究 工 作 中, 云 室 发 挥 着 重 要 的 作 用 尤 其 是 正 电 子 的 发 现, 云 室 发 挥 了 重 大 的 作 用, 具 有 重 要 的 意 义

16 早 在 1928 年, 英 国 杰 出 的 物 理 学 家 狄 拉 克 就 建 立 了 相 对 论 的 波 动 方 程, 称 为 狄 拉 克 方 程 在 方 程 的 解 中, 有 一 个 解 的 能 量 是 正 值, 另 一 个 是 负 值 与 正 能 量 解 相 对 应 的 是 人 们 熟 悉 的 电 子, 那 么 与 负 能 量 解 相 对 应 的 粒 子 又 是 什 么 呢? 这 个 问 题 一 时 使 人 们 感 到 困 惑 不 解 为 了 回 答 这 个 问 题, 狄 拉 克 大 胆 预 言, 在 自 然 界 中 应 当 存 在 着 带 有 正 电 荷 的 电 子, 由 于 它 的 电 荷 与 电 子 相 反, 所 以 就 叫 它 反 电 子 几 年 后, 美 国 一 位 名 叫 安 德 森 的 年 轻 物 理 学 家 发 表 了 一 篇 文 章, 简 要 地 报 道 了 他 在 研 究 宇 宙 线 时 发 现 的 一 种 新 粒 子 巧 的 是 这 正 是 狄 拉 克 所 预 言 的 反 电 子 很 快, 这 一 消 息 传 遍 了 全 世 界 安 德 森 在 实 验 中 就 使 用 了 威 尔 逊 云 室 1932 年, 安 德 森 开 始 使 用 云 室 进 行 宇 宙 线 的 研 究 工 作 他 将 云 室 放 置 在 电 磁 铁 的 两 极 之 间, 接 通 电 源, 云 室 周 围 就 建 立 起 了 很 强 的 磁 场, 于 是 就 构 成 了 一 台 大 型 的 磁 云 室 在 利 用 这 套 装 置 拍 摄 到 的 照 片 中, 他 可 以 清 楚 地 观 测 到 带 电 粒 子 在 磁 场 中 运 动 的 轨 迹 其 中 有 的 向 左 偏 转, 有 的 向 右 偏 转 显 然, 有 的 粒 子 带 有 负 电 荷, 有 的 带 有 正 电 荷 在 当 时, 人 们 已 经 认 识 到 的 带 电 粒 子 只 有 两 种 : 一 种 是 带 有 负 电 荷 的 电 子 ; 另 一 种 是 1919 年 发 现 的 带 有 一 个 单 位 小 电 荷 的 质 子 一 次 偶 然 的 机 会, 安 德 森 拍 摄 到 一 张 非 常 奇 妙 的 照 片 按 照 片 记 录 的 粒 子 轨 迹 的 长 度 和 弯 曲 的 程 度 分 析, 他 们 断 定 该 粒 子 的 质 量 和 所 带 电 荷 的 数 值 应 与 电 子 相 当, 但 由 偏 转 的 方 向 不 难 看 出, 这 种 粒 子 所 带 电 荷 的 性 质 却 与 电 子 刚 好 相 反 安 德 森 指 出, 新 发 现 的 粒 子 像 是 带 正 电 的 电 子, 因 此 就 叫 它 正 电 子 吧! 其 实, 这 就 是 几 年 前 狄 拉 克 预 言 的 反 电 子 在 以 后 的 一 些 实 验 中, 不 断 观 察 到 正 电 子 存 在 的 事 例 目 前, 科 学 家 们 在 实 验 中 已 经 能 够 产 生 很 强 的 正 电 子 束 供 实 验 使 用 正 电 子 的 发 现 不 仅 证 实 了 狄 拉 克 理 论 的 正 确 性, 同 时 也 为 粒 子 家 族 增 添 了 新 的 成 员 正 电 子 又 是 人 们 认 识 到 的 第 一 个 反 粒 子, 因 而 使 人 们 对 于 物 质 世 界 的 认 识 产 生 了 一 次 飞 跃 后 来, 人 们 又 发 现 了 众 多 的 反 粒 子, 其 中 最 具 代 表 性 的 是,1955 年 发 现 的 反 质 子,1956 年 发 现 的 反 中 子 如 今, 人 们 已 经 认 识 到, 一 切 粒 子 都 有 它 的 反 粒 子 由 反 粒 子 构 成 的 反 物 质 世 界, 正 越 来 越 多 地 引 起 人 们 的 关 注 安 德 森 最 先 在 宇 宙 线 中 发 现 了 这 个 不 速 之 客, 他 在 荣 获 1936 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 时, 年 仅 31 岁, 可 谓 风 华 正 茂 后 来 他 成 为 了 一 位 著 名 的 物 理 学 家

17 霍 夫 斯 塔 的 妙 方 在 发 展 新 型 闪 烁 方 法 的 过 程 中, 美 国 科 学 家 罗 伯 特 霍 夫 斯 塔 特 做 出 了 重 要 的 贡 献 霍 夫 斯 塔 特 于 1935 年 大 学 毕 业, 毕 业 后 又 考 取 普 林 斯 顿 大 学 的 研 究 生, 获 取 博 士 学 位 后, 霍 夫 斯 塔 特 曾 在 通 用 电 气 公 司 短 期 工 作 1950 年 他 来 到 斯 坦 福 大 学, 参 加 了 大 型 直 线 加 速 器 的 研 究 工 作, 并 且 一 直 研 究 粒 子 物 理 学 在 通 用 电 气 公 司 期 间, 他 的 同 事 正 在 从 事 碘 化 钾 的 研 究 工 作, 霍 夫 斯 塔 特 也 对 固 体 发 光 的 研 究 发 生 了 兴 趣 第 二 次 世 界 大 战 之 后, 他 回 到 普 林 斯 顿 大 学 工 作, 开 始 研 究 氯 化 银 和 卤 化 铊 他 试 图 将 这 些 材 料 用 作 核 物 理 学 研 究 上 的 探 测 材 料 然 而 遗 憾 的 是, 他 的 研 究 在 开 始 时 并 没 有 什 么 进 展, 到 1947 年, 研 究 工 作 才 出 现 转 机, 因 为 这 时 一 些 德 国 科 学 家 对 闪 烁 物 质 的 研 究 取 得 了 很 大 的 进 展 德 国 科 学 家 借 助 樟 脑 丸 作 闪 烁 材 料, 并 将 它 放 在 光 电 倍 增 管 之 前, 利 用 这 个 简 单 的 装 置, 他 们 探 测 到 了 γ 射 线 的 径 迹 而 在 此 之 前,γ 射 线 的 探 测 技 术 一 直 没 有 什 么 进 展, 因 此 探 测 γ 射 线 一 直 是 一 个 较 难 解 决 的 问 题 当 时 一 些 美 国 实 验 室 也 开 始 利 用 这 种 新 型 探 测 装 置, 有 些 美 国 科 学 家 还 进 行 了 改 进, 用 蒽 来 代 替 萘 ( 即 樟 脑 ), 这 种 新 材 料 的 探 测 性 能 更 好 但 是 科 学 家 们 也 发 现, 无 论 是 萘 还 是 蒽, 虽 然 在 探 测 γ 射 线 上 比 起 盖 革 计 数 器 要 好 很 多, 可 还 是 不 够 理 想 这 时 霍 夫 斯 塔 特 决 心 找 到 更 好 的 闪 烁 材 料, 并 且 想 起 了 十 年 前 接 触 到 的 含 铊 的 碘 化 钾 这 种 材 料 具 有 发 光 的 性 能, 而 且 他 手 边 就 有 这 种 样 品 拿 来 一 试, 碘 化 钾 所 具 有 的 闪 烁 性 能, 比 萘 和 蒽 好 不 了 多 少, 但 它 在 对 γ 射 线 的 阻 止 上 要 好 得 多 霍 夫 斯 塔 特 还 将 研 究 做 了 一 些 拓 展, 他 开 始 用 碘 化 钠 做 实 验, 并 且 与 萘 和 蒽 以 及 碘 化 钾 氯 化 钠 溴 化 钾 和 钨 酸 钙 等 样 品 进 行 了 对 比, 发 现 碘 化 钠 的 性 能 最 好 接 着 他 将 碘 化 钠 与 光 电 倍 增 管 组 合 起 来 使 用, 实 验 的 结 果 非 常 好 然 而, 当 他 的 研 究 成 果 公 布 几 个 月 之 后, 才 引 起 了 一 位 闪 烁 计 数 器 专 家 的 注 意, 即 使 这 位 专 家, 也 是 抱 着 怀 疑 的 态 度 来 找 霍 夫 斯 塔 特 的 但 是, 霍 夫 斯 塔 特 并 不 理 会 这 些, 他 继 续 研 制 体 积 更 大 的 闪 烁 材 料, 不 过 在 应 用 时 却 出 了 问 题 为 什 么 用 这 种 闪 烁 材 料 做 成 小 型 探 测 器 的 效 果 很 好, 制 成 的 大 型 探 测 器 就 不 行 呢? 后 来 他 发 现 这 是 由 于 碘 化 钠 易 潮 解 所 引 起 的 到 了 1948 年 末, 霍 夫 斯 塔 特 开 始 与 他 的 一 位 学 生 合 作 研 究, 并 且 收 到 了 非 常 好 的 效 果 他 们 首 次 制 成 了 性 能 良 好 的 γ 射 线 能 谱 仪 这 样, 闪 烁 方 法 又 被 重 新 应 用, 甚 至 被 应 用 得 更

18 加 广 泛 了 像 1957 年, 在 美 国 工 作 的 中 国 物 理 学 家 吴 健 雄 对 宇 称 不 守 恒 现 象 的 验 证, 就 曾 使 用 了 蒽 晶 体 探 测 β 粒 子, 用 碘 化 钠 接 收 发 射 出 的 γ 射 线 除 了 在 核 物 理 高 能 物 理 固 体 物 理 和 天 体 物 理 上 的 大 量 应 用 之 外, 碘 化 钠 的 应 用 还 扩 展 到 了 许 多 研 究 领 域 和 生 产 部 门, 如 化 学 生 物 医 疗 核 能 放 射 性 示 踪 技 术 地 质 铀 矿 勘 探 食 品 研 究 石 油 探 井 气 象 学 考 古 学 和 人 类 学 等 由 于 霍 夫 斯 塔 特 和 许 多 科 学 技 术 人 员 的 努 力, 碘 化 钠 的 晶 体 制 作 得 越 来 越 好, 各 种 性 能 也 不 断 得 到 改 善 除 了 碘 化 钠 的 研 究, 霍 夫 斯 塔 特 在 原 子 核 的 研 究 上 也 取 得 了 很 大 的 成 绩, 并 且 因 此 获 得 了 1961 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 布 莱 克 特 的 变 革 威 尔 逊 云 室 虽 然 可 以 清 楚 地 再 现 粒 子 的 径 迹, 比 起 盖 革 计 数 管 有 很 大 的 优 势, 但 盖 革 计 数 管 的 灵 敏 性 却 是 威 尔 逊 云 室 无 法 企 及 的 那 么, 能 不 能 将 这 两 者 的 优 势 结 合 在 一 起 呢? 最 早 进 行 这 种 尝 试 的 是 英 国 物 理 学 家 布 莱 克 特 在 布 莱 克 特 生 活 的 年 代, 到 海 军 去 服 役 是 十 分 诱 人 的 13 岁 的 布 莱 克 特 就 进 入 了 海 军 学 校 学 习 毕 业 时 正 值 第 一 次 世 界 大 战 爆 发, 他 就 上 了 前 线, 并 一 直 到 大 战 的 结 束 由 于 有 军 功 在 身, 布 莱 克 特 进 入 了 剑 桥 大 学 去 跟 随 卢 瑟 福 学 习 在 学 习 期 间, 除 了 学 习 必 要 的 基 础 知 识, 布 莱 克 特 还 迷 上 了 威 尔 逊 云 室 也 正 是 由 于 布 莱 克 特 的 努 力, 这 种 新 型 装 置 获 得 了 更 加 全 面 的 应 用 当 时, 卢 瑟 福 发 现 了 元 素 嬗 变 的 新 现 象 这 种 现 象 是 用 α 粒 子 轰 击 氮, 发 现 氮 转 变 成 了 氧 的 一 种 同 位 素 卢 瑟 福 的 观 察 是 通 过 屏 幕 上 的 闪 烁 现 象 而 推 断 的 布 莱 克 特 认 为, 这 个 实 验 还 需 要 更 直 接 的 证 明, 他 要 借 助 云 室 为 卢 瑟 福 的 新 发 现 提 供 更 坚 实 的 证 明 在 20 世 纪 20 年 代 初, 布 莱 克 特 开 始 了 这 一 实 验 他 将 氮 气 充 入 云 室 中, 而 后 用 粒 子 轰 击, 这 时 的 云 室 是 周 期 性 地 膨 胀, 用 起 来 比 较 麻 烦 布 莱 克 特 拍 摄 了 粒 子 的 径 迹, 并 拍 了 2 万 多 张 照 片, 其 中 有 40 多 万 条 α 粒 子 径 迹 这 些 径 迹 中 有 8 万 多 条 径 迹 显 示 出 粒 子 与 氮 分 子 发 生 了 撞 击, 而 在 所 撞 击 后 发 生 的 分 叉 径 迹 中 可 以 证 明 卢 瑟 福 关 于 元 素 嬗 变 的 观 点 布 莱 克 特 的 这 些 照 片 拍 摄 于 1915 年, 给 人 们 留 下 了 深 刻 的 印 象 如 果 要 推 广 威 尔 逊 云 室 这 种 新 技 术 的 话, 布 莱 克 特 的 照 片 就 是 最 有 力 的 宣 传 了 不 仅 如 此, 云 室 还 成 了 布 莱 克 特 研 究 宇 宙 射 线 和 各 种 粒 子 的 有 力 工 具 在 使 用 云 室 时, 除 了 云 室 的 基 本 功 能, 人 们 还 非 常 关 心 粒 子 进 入 云 室 的 时 间 这 样 的 话,

19 对 粒 子 径 迹 的 拍 摄 将 更 有 针 对 性 否 则, 就 要 反 复 拍 摄 多 次, 而 且 还 要 不 断 地 让 云 室 膨 胀 做 准 备 尽 管 如 此 频 繁 地 做 准 备 不 断 地 拍 照 片, 这 些 照 片 中 有 用 的 还 是 不 多 针 对 这 个 问 题, 布 莱 克 特 对 云 室 进 行 了 改 进 布 莱 克 特 将 云 室 与 盖 革 计 数 器 组 合 起 来 使 用 他 把 云 室 放 在 两 个 盖 革 计 数 器 之 间 当 宇 宙 线 粒 子 穿 过 两 个 计 数 器 和 云 室 时, 两 个 计 数 器 就 会 接 收 到 相 应 的 信 号, 如 果 这 两 个 信 号 一 样, 则 说 明 这 个 信 号 也 穿 过 了 云 室, 这 时 就 让 云 室 膨 胀, 再 拍 摄 照 片 由 于 这 样 的 计 数 器 接 收 到 的 后 一 个 信 号 与 前 一 个 信 号 是 符 合 的, 因 此, 人 们 就 将 这 样 的 盖 革 计 数 器 叫 做 符 合 计 数 器 有 了 这 样 的 新 式 云 室 就 省 事 多 了, 可 以 不 必 再 盲 目 拍 摄 了 过 去 往 往 拍 摄 几 千 张 照 片 才 能 得 到 适 宜 的 结 果, 而 用 新 型 云 室 只 需 拍 几 张 照 片 就 够 了 由 此 可 见, 比 起 早 期 无 目 的 地 拍 摄, 新 云 室 要 经 济 得 多 了 布 莱 克 特 也 利 用 云 室 研 究 宇 宙 线, 他 也 拍 到 了 正 电 子 的 照 片, 但 比 安 德 森 晚 了 几 个 月 后 来, 他 进 一 步 发 现 γ 射 线 穿 过 铅 板 时 有 时 会 消 失, 并 且 同 时 产 生 一 个 电 子 和 一 个 正 电 子 对 ( 叫 做 正 负 电 子 对 ) 布 莱 克 特 的 发 现 不 仅 使 正 电 子 的 研 究 更 加 深 入 了, 而 且 对 爱 因 斯 坦 的 质 量 能 量 方 程 式 也 是 一 个 重 要 的 支 持 过 去 人 们 虽 然 相 信 这 个 方 程, 但 没 有 提 出 明 确 的 例 证, 布 莱 克 特 的 发 现 正 好 弥 补 了 这 一 缺 憾 这 个 实 验 中, 光 子 转 变 为 具 有 静 止 质 量 的 粒 子, 并 且 这 种 转 化 的 结 果 完 全 符 合 爱 因 斯 坦 的 质 量 与 能 量 的 转 化 方 程 由 于 布 莱 克 特 对 云 室 的 重 要 改 进, 以 及 利 用 云 室 进 行 的 核 物 理 研 究 成 果, 他 获 得 了 1948 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 气 泡 室 的 秘 密 从 1911 年 云 室 被 发 明 之 后, 人 们 开 始 广 泛 地 使 用 这 种 探 测 器, 它 在 早 期 核 研 究 中 发 挥 了 重 要 的 作 用 然 而, 云 室 也 有 一 定 的 缺 陷, 云 室 中 的 气 态 物 质 非 常 稀 疏, 带 电 粒 子 进 入 云 室 只 能 形 成 少 量 离 子 如 果 进 入 云 室 的 粒 子 是 一 些 罕 见 的 粒 子, 或 寿 命 很 短 的 粒 子, 它 就 不 能 形 成 径 迹, 或 因 为 径 迹 极 短 而 被 忽 略 掉 特 别 是 在 高 能 物 理 学 发 展 过 程 中, 在 与 大 型 加 速 器 配 合 使 用 时, 云 室 的 缺 陷 就 使 它 的 适 用 范 围 受 到 了 极 大 的 限 制 因 此, 要 对 探 测 器 进 行 一 次 彻 底 的 革 新, 完 成 这 次 革 新 的 是 美 国 科 学 家 唐 纳 德 格 拉 泽 格 拉 泽 于 1949 年 在 加 州 理 工 学 院 获 得 博 士 学 位 之 后, 就 去 密 执 安 大 学 任 教 在 这 里 他 开 始 思 考 对 探 测 器 的 研 究 20 世 纪 50 年 代, 高 能 物 理 学 获 得 了 迅 速 的 发 展, 微 观 世 界 的 新 事 物 层 出 不 穷 格 拉 泽

20 很 注 重 实 验 的 研 究, 在 改 进 实 验 技 术 上 下 了 很 大 的 功 夫, 发 明 了 一 些 新 型 的 云 室 和 平 行 板 火 花 计 算 器, 这 些 研 究 也 为 后 来 发 明 气 泡 室 创 造 了 条 件 格 拉 泽 注 意 到, 人 们 在 倒 啤 酒 时, 瓶 中 会 产 生 大 量 气 泡, 于 是 他 仔 细 观 察 了 啤 酒 瓶 玻 璃 上 一 些 粗 糙 点 上 的 气 泡, 并 为 此 联 想 到 这 种 气 泡 产 生 的 原 理 云 室 是 利 用 过 冷 的 蒸 汽 在 离 子 周 围 凝 聚, 在 大 量 气 体 中 形 成 液 滴 的 现 象 而 显 示 粒 子 的 踪 迹 的 与 云 室 不 一 样, 他 设 想 的 新 型 装 置 是, 让 过 热 的 液 体 在 离 子 周 围 汽 化, 在 大 量 液 体 中 形 成 汽 滴 也 就 是 说, 在 粒 子 经 过 的 地 方, 产 生 大 量 气 泡, 进 而 显 示 粒 子 的 径 迹 气 泡 室 作 为 一 种 新 型 的 探 测 工 具, 最 早 使 用 是 在 1952 年 当 时 格 拉 泽 制 作 的 第 一 个 气 泡 室 的 直 径 仅 有 十 余 厘 米, 室 内 充 有 乙 醚 ( 后 来 又 改 用 液 态 氢 ) 但 气 泡 室 的 构 造 同 云 室 相 比, 气 泡 室 要 复 杂 得 多, 造 价 也 显 得 很 昂 贵 然 而 它 们 的 工 作 原 理 却 非 常 相 似, 只 不 过 云 室 内 充 满 的 是 气 体 和 少 量 的 水 蒸 气, 而 气 泡 室 内 采 用 的 是 液 体 气 泡 室 的 主 体 部 分 是 一 个 充 满 透 明 液 体 的 大 容 器, 容 器 内 安 装 有 能 够 上 下 移 动 的 大 活 塞 液 体 通 常 采 用 液 态 氢 等, 温 度 超 过 沸 点 温 度, 称 为 过 热 液 体 由 此 可 见, 气 泡 室 是 在 较 低 的 温 度 下 工 作 的, 它 显 示 了 很 好 的 性 能 大 家 知 道, 在 一 定 的 气 压 下, 当 液 体 温 度 升 高 到 一 定 程 度 时, 就 开 始 沸 腾 液 体 的 沸 点 与 气 压 有 着 直 接 的 关 系, 气 压 越 低, 它 的 沸 点 就 越 低 在 海 平 面 附 近, 水 的 沸 点 是 100 摄 氏 度, 随 着 地 势 的 升 高, 水 的 沸 点 会 逐 渐 降 低 到 了 青 藏 高 原, 水 的 沸 点 就 不 到 80 摄 氏 度 了 为 了 使 容 器 内 的 液 体 处 于 标 准 气 压 以 下, 就 要 降 低 容 器 内 的 压 强 当 气 泡 室 的 液 体 处 于 过 热 状 态 时, 由 于 这 种 状 态 是 不 稳 定 的, 液 体 一 旦 遇 到 扰 动, 就 会 立 即 沸 腾 起 来, 借 此 人 们 可 以 观 测 进 入 气 泡 室 的 带 电 粒 子 为 了 使 容 器 内 的 液 体 状 态 符 合 要 求, 可 以 通 过 机 械 系 统 来 调 控 活 塞, 使 气 泡 室 内 的 压 强 急 剧 下 降, 这 样 液 体 就 处 于 过 热 状 态 在 这 种 情 况 下, 过 热 液 体 就 会 对 外 来 的 带 电 粒 子 非 常 敏 感 如 果 此 时 有 带 电 粒 子 闯 入 气 泡 室 内, 在 粒 子 行 进 的 路 上 就 会 产 生 一 串 依 稀 可 见 的 小 气 泡, 气 泡 室 因 此 而 得 名 在 闪 光 灯 强 光 的 照 射 下, 摄 像 装 置 自 动 记 录 下 这 一 径 迹, 再 经 过 对 照 片 的 处 理 和 分 析, 人 们 就 可 以 清 楚 地 看 到 粒 子 在 室 内 发 生 的 相 互 作 用 过 程, 以 及 其 最 后 消 亡 的 情 景 如 果 气 泡 室 用 的 是 液 态 氢, 由 于 室 内 只 有 氢, 通 过 对 照 片 的 分 析, 人 们 可 以 了 解 带 电 粒 子 与 氢 原 子 核 之 间 相 互 作 用 相 互 转 化 这 一 复 杂 过 程 的 大 量 信 息 :π- 介 子 与 质 子 相 碰 撞, 可 产 生 两 个 中 性 粒 子 Ko 和 Λo( 它 们 是 两 种 介 子 ), 这 两 个 粒 子 很 不 稳 定, 又 会 立 即 衰 变 为 其 他 的 粒 子 对 于 这 样 的 短 命 粒 子, 云 室 就 无 能 为 力 了 所 以 尽 管 气 泡 室 的 造 价 高, 但 它 的 优

21 越 性 显 而 易 见, 因 此, 随 后 在 许 多 实 验 室 都 建 造 了 一 些 大 型 的 气 泡 室 1959 年, 我 国 著 名 的 核 物 理 学 家 王 淦 昌 院 士 利 用 装 有 丙 烷 液 体 的 气 泡 室 ( 也 简 称 为 丙 烷 室 ) 发 现 了 重 粒 子 的 反 粒 子 这 是 我 国 科 学 家 发 现 的 第 一 个 粒 子, 也 是 继 反 粒 子 的 正 电 子 反 质 子 和 反 中 子 的 发 现 之 后, 所 发 现 的 又 一 个 反 粒 子 我 国 科 学 家 为 粒 子 物 理 学 的 发 展 做 出 了 重 要 的 贡 献 气 泡 室 的 改 进 由 于 气 泡 室 比 云 室 要 灵 敏 得 多, 它 对 高 能 粒 子 的 研 究 具 有 极 重 要 的 作 用 当 粒 子 通 过 同 样 的 距 离, 在 气 泡 室 中 比 在 云 室 中 可 以 撞 到 更 多 的 物 质, 这 样 就 使 粒 子 的 速 度 很 快 地 降 下 来, 所 以 形 成 的 径 迹 较 短, 径 迹 也 更 加 完 整, 也 就 有 利 于 科 学 家 们 分 辨 粒 子 的 种 类 和 性 质, 从 而 对 粒 子 进 行 整 体 上 的 研 究 格 拉 泽 发 明 气 泡 室 后, 位 于 美 国 纽 约 的 布 鲁 克 海 文 实 验 室 的 高 能 同 步 加 速 器 和 位 于 加 利 福 尼 亚 的 劳 伦 斯 实 验 室 的 高 能 质 子 加 速 器 都 添 置 了 气 泡 室, 并 在 高 能 物 理 研 究 上 发 挥 了 极 重 要 的 作 用 由 于 气 泡 室 的 发 明, 格 拉 泽 获 得 了 1960 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 有 趣 的 是, 在 获 奖 的 同 时, 格 拉 泽 宣 布 将 个 人 的 兴 趣 开 始 从 核 物 理 学 转 向 分 子 生 物 学 而 对 气 泡 室 的 改 进, 美 国 科 学 家 路 易 斯 阿 尔 瓦 雷 斯 则 做 出 了 重 要 的 贡 献 阿 尔 瓦 雷 斯 考 入 芝 加 哥 大 学 后, 先 学 的 是 化 学, 后 来 才 改 学 物 理 学 从 1934 年 他 获 得 博 士 学 位, 到 第 二 次 世 界 大 战 结 束, 阿 尔 瓦 雷 斯 在 核 物 理 学 的 实 验 方 面 做 了 一 些 很 有 益 的 工 作, 此 间 他 还 参 加 了 雷 达 的 研 制 工 作, 并 对 原 子 弹 的 设 计 提 出 了 很 好 的 建 议 战 争 结 束 后, 他 来 到 加 州 大 学 的 辐 射 实 验 室 工 作, 在 这 里 他 创 建 了 第 一 台 质 子 直 线 加 速 器 1953 年, 珂 尔 瓦 雷 斯 来 到 华 盛 顿 参 加 学 术 会 议, 他 看 到 了 格 拉 泽 用 气 泡 室 拍 摄 的 粒 子 径 迹 照 片 这 是 利 用 充 有 乙 醚 的 玻 璃 瓶 拍 下 来 的 回 到 加 州 大 学 后, 阿 尔 瓦 雷 斯 等 人 也 开 始 了 气 泡 室 和 相 关 仪 器 的 研 制 工 作 除 了 研 制 液 态 氢 气 泡 室, 他 们 还 着 手 发 明 新 的 半 自 动 径 迹 测 量 仪 器, 以 及 计 数 器 的 研 究 为 此, 他 们 研 制 出 了 比 格 拉 泽 的 气 泡 室 大 得 多 的 气 泡 室 经 过 精 心 的 设 计, 阿 尔 瓦 雷 斯 逐 渐 扩 大 了 液 态 氢 气 泡 室 的 容 积, 玻 璃 室 的 直 径 最 初 为 25 毫 米, 此 后 不 断 扩 大, 最 后 一 直 增 加 了 几 十 倍 除 了 气 泡 室 的 不 断 改 进, 他 还 研 制 或 改 进 了 新 型 显 微 镜 和 计 数 器, 这 样 对 粒 子 运 动 和 性 质 有 了 更 加 全 面 的 认 识, 利 用 这 种 气 泡 室 和 其 他 的 仪 器, 他 发 现 了 近 百 种 的 粒 子

22 由 于 探 测 器 的 不 断 改 进, 阿 尔 瓦 雷 斯 所 测 量 出 的 粒 子 各 种 事 件 不 断 增 多 以 1968 年 为 例, 他 当 年 完 成 的 测 量 工 作 超 过 了 100 万 个 事 件, 这 个 数 量 差 不 多 是 所 有 其 他 实 验 室 工 作 量 的 总 和 由 于 阿 尔 瓦 雷 斯 在 高 能 物 理 学 上 的 杰 出 研 究, 特 别 是 对 液 态 氢 气 泡 室 的 改 进, 使 他 获 得 了 1968 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 气 泡 室 刚 刚 问 世 的 时 候, 体 积 是 很 小 的, 只 有 几 立 方 厘 米 随 着 技 术 的 进 步, 探 测 手 段 的 改 进, 在 以 后 的 几 十 年 中, 气 泡 室 越 造 越 大, 结 构 也 越 来 越 复 杂 如 今, 除 了 气 泡 室 主 体 部 分 之 外, 还 具 有 先 进 的 照 相 和 摄 制 系 统 热 调 节 系 统 膨 胀 与 压 缩 系 统 控 制 系 统 ; 还 采 用 了 先 进 的 超 导 磁 体 来 产 生 强 磁 场 ; 还 设 有 安 全 防 护 装 置, 形 成 了 一 个 庞 大 的 工 作 系 统, 成 为 一 种 现 代 化 的 大 型 探 测 工 具 自 气 泡 室 问 世 以 来, 它 在 宇 宙 线 的 研 究 和 粒 子 物 理 实 验 方 面 取 得 了 辉 煌 的 成 就 在 这 期 间, 各 种 类 型 的 加 速 器 相 继 建 成, 两 者 结 合 使 用, 对 于 气 泡 室 来 说, 真 是 如 虎 添 翼 加 速 器 作 为 一 种 高 能 量 的 粒 子 源, 可 以 为 气 泡 室 提 供 充 足 的 各 种 能 量 的 炮 弹, 它 对 于 粒 子 间 相 互 作 用 的 研 究 新 粒 子 的 发 现 以 及 各 种 粒 子 的 情 况 分 析 等, 创 造 了 非 常 有 利 的 条 件, 使 得 气 泡 室 的 作 用 得 到 了 进 一 步 的 发 挥 目 前, 全 世 界 运 用 气 泡 室 拍 摄 到 的 粒 子 径 迹 照 片, 每 年 多 达 几 千 万 张 庞 大 的 粒 子 家 族 中, 有 许 多 重 要 的 成 员 都 是 在 气 泡 室 中 发 现 的, 诸 如 超 子 ( 粒 子 中 的 一 类 ) - 和 - 的 反 粒 子 Ξo Ω- 等, 介 子 W, 百 余 种 共 振 态 粒 子, 以 及 传 递 弱 相 互 作 用 的 中 间 媒 介 粒 子 Zo 由 于 基 本 粒 子 的 大 量 发 现, 这 给 美 国 物 理 学 家 盖 尔 曼 的 研 究 提 供 了 实 验 基 础 盖 尔 曼 对 这 些 粒 子 进 行 了 分 类, 并 总 结 为 几 张 表, 这 些 表 的 作 用 就 像 是 俄 国 化 学 家 门 捷 列 夫 的 元 素 周 期 表 一 样, 使 人 们 对 粒 子 世 界 的 认 识 更 加 深 入 了 气 泡 室 探 测 效 率 非 常 高, 对 于 一 些 寿 命 在 10-11~10-17 秒 的 短 命 粒 子, 同 样 能 够 进 行 有 效 的 探 测 由 于 气 泡 室 具 有 多 方 面 的 优 越 性, 时 至 今 日, 在 加 速 器 实 验 中, 在 宇 宙 线 研 究 方 面, 仍 然 有 着 广 泛 的 应 用 奇 妙 的 火 花 室 在 观 察 粒 子 穿 过 云 室 和 气 泡 室 的 径 迹 时, 只 要 有 粒 子 进 入 室 内, 不 论 是 不 是 人 们 所 要 寻 找 的 粒 子, 均 一 视 同 仁, 统 统 地 记 录 下 来 这 样, 在 分 析 研 究 工 作 中, 还 需 要 进 行 逐 一 筛 选, 搜 索 所 需 要 的 事 例, 这 无 疑 给 研 究 工 作 增 添 了 不 少 麻 烦, 加 大 了 工 作 量 为 了 克 服 这 一 缺 点,

23 科 学 家 们 又 发 明 了 火 花 室 作 为 一 种 射 线 探 测 仪 器, 同 云 室 和 气 泡 室 相 比, 火 花 室 最 突 出 的 优 点 是 具 有 良 好 的 选 择 性 能 只 有 当 人 们 所 需 要 探 寻 的 粒 子 进 入 火 花 室 内 时, 火 花 室 才 启 动 照 明 和 摄 像 装 置, 记 录 下 这 个 粒 子 的 径 迹, 供 人 们 分 析 研 究 早 期 的 火 花 室 是 由 一 组 平 行 放 置 的 薄 金 属 板 构 成 的, 相 邻 两 板 的 间 隙 很 小, 一 般 只 有 几 毫 米 平 行 板 交 替 与 地 线 和 高 压 线 相 接 火 花 室 内 充 入 惰 性 气 体 氖 和 10% 的 氦 气, 同 时 还 加 入 少 量 的 酒 精 蒸 气 当 外 来 的 带 电 粒 子 进 入 火 花 室 金 属 板 之 间 的 缝 隙 时, 与 室 内 分 子 相 接, 使 气 体 分 子 电 离 这 时, 沿 着 离 子 停 留 的 地 方 发 生 火 花 放 电, 将 这 个 火 花 记 录 下 来, 就 等 于 观 察 到 了 那 个 外 来 的 粒 子 后 来 为 了 便 于 准 确 地 判 断 火 花 发 生 的 位 置, 人 们 对 原 来 的 装 置 进 行 了 改 进 将 原 来 的 金 属 板 换 成 了 多 条 平 行 的 金 属 丝 一 个 高 精 度 的 火 花 室 由 一 组 一 组 相 互 交 错 垂 5 直 的 平 行 金 属 丝 构 成 的, 火 花 室 内 安 装 的 金 属 丝 多 达 10 万 ~20 万 根 火 花 室 的 长 度 约 4 5 米, 大 型 的 可 达 7 米 左 右 外 形 多 种 多 样, 有 圆 柱 形 的, 也 有 方 形 的 火 花 室 加 入 的 脉 冲 式 高 压 达 伏, 脉 冲 的 间 隔 只 有 0 2 秒 带 电 粒 子 只 要 在 脉 冲 电 压 存 在 的 瞬 间 进 入 火 花 室, 就 会 有 火 花 产 生 火 花 的 位 置 由 两 个 坐 标 准 确 定 位, 而 坐 标 又 由 纵 横 交 替 的 金 属 丝 标 定 的 这 样, 就 能 够 更 精 确 地 研 究 粒 子 的 行 为, 确 定 粒 子 的 位 置 火 花 室 探 测 的 结 果 可 以 有 多 种 记 录 方 法 比 较 早 的 采 用 立 体 照 相 的 方 法 粒 子 穿 行 过 的 地 方, 产 生 火 花 放 电, 利 用 这 种 记 录 手 段, 可 将 粒 子 的 行 为 在 照 片 上 生 动 地 记 录 下 来 这 种 记 录 方 法 有 其 困 难 的 一 面 要 想 从 拍 摄 到 的 复 杂 的 照 片 上 提 取 所 需 要 的 各 种 数 据, 可 并 不 是 一 件 容 易 的 事 情 为 了 克 服 这 一 难 点, 人 们 采 用 了 各 种 收 集 数 据 的 有 效 方 法 例 如, 利 用 先 进 的 光 导 摄 像 管, 利 用 光 子 成 像 技 术, 将 光 信 号 转 变 为 电 信 号, 再 进 行 处 理 也 可 以 利 用 火 花 室 内 金 属 丝 中 的 电 流 触 发 磁 芯, 从 中 获 取 一 些 重 要 的 信 息, 再 把 这 些 信 息 输 入 到 计 算 机 中 进 行 处 理, 以 得 到 人 们 所 需 要 的 各 种 资 料 和 数 据 火 花 室 的 建 造 要 比 气 泡 室 简 单 得 多, 造 价 也 比 较 便 宜 火 花 室 的 规 模 可 大 可 小, 使 用 起 来 方 便 灵 活 因 此 颇 受 欢 迎, 被 广 泛 应 用 于 高 能 物 理 核 物 理 宇 宙 线 探 测 等 各 个 领 域 的 实 验 研 究 方 面 自 从 1959 年 开 始 应 用 以 来, 曾 取 得 了 不 少 有 价 值 的 成 果, 其 中 对 中 微 子 的 探 测 就 是 最 为 突 出 的 范 例 中 微 子 不 带 电, 个 头 儿 又 小, 具 有 极 强 的 穿 透 本 领 因 此 捕 捉 中 微 子 的 行 踪 是 一 种 非 常 困 难 的 事 情 大 型 火 花 室 为 这 方 面 的 研 究 工 作 做 出 了 重 大 的 贡 献 自 然 界 中 存 在 有 几 种 类 型 的 中 微 子, 而 其 中 电 子 型 的 中 微 子 与 μ 子 型 中 微 子 的 区 分, 是 人 们 利 用 火 花 室 做 出 的 一 项 重

24 大 发 现, 显 示 出 这 种 装 置 的 巨 大 威 力 切 伦 科 夫 的 功 劳 1934 年, 前 苏 联 科 学 家 切 伦 科 夫 在 一 篇 论 文 中 报 告 了 一 种 奇 妙 的 现 象 当 把 镭 发 出 的 辐 射 穿 过 一 些 高 折 射 率 的 媒 质 ( 可 以 是 液 体 或 固 体 ) 时, 其 中 部 分 辐 射 会 被 这 些 媒 质 所 吸 收 在 这 时 会 从 媒 质 中 发 出 一 种 特 殊 的 辐 射, 这 是 一 种 淡 蓝 色 的 微 弱 可 见 光 由 于 是 切 伦 科 夫 发 现 的 一 种 特 殊 辐 射, 因 此 就 被 称 做 切 伦 科 夫 辐 射, 其 光 学 效 应 也 被 叫 做 切 伦 科 夫 效 应 切 伦 科 夫 的 发 现 并 不 是 新 发 现 的 现 象 过 去 用 X 射 线 或 γ 射 线 照 射 荧 光 物 质 就 会 发 出 强 烈 的 荧 光, 有 时 还 会 伴 随 强 烈 的 切 伦 科 夫 辐 射 像 放 射 科 的 医 生 或 X 射 线 专 家 就 曾 观 察 到 这 样 的 现 象, 但 是 都 没 有 引 起 注 意, 而 是 把 这 种 现 象 归 到 荧 光 或 磷 光 现 象 切 伦 科 夫 以 敏 锐 的 观 察 力 注 意 到 了 这 种 现 象, 他 不 相 信 这 种 现 象 就 是 荧 光 现 象 为 了 搞 清 楚 它, 他 用 水 做 实 验 他 怕 水 中 的 杂 质 影 响 到 实 验 中 的 荧 光 现 象, 他 将 水 反 复 蒸 馏 多 次, 以 得 到 更 精 确 的 结 论 实 验 结 果 是, 液 体 种 类 不 同 不 会 影 响 到 实 验 的 结 论 后 来, 他 只 让 电 子 穿 过 相 同 的 物 质 ( 他 用 的 是 液 体 ), 因 此 排 除 了 荧 光 辐 射, 也 排 除 了 镭 辐 射, 进 而 证 实 这 是 高 速 带 电 粒 子 在 物 质 中 的 一 种 相 互 作 用 这 种 效 应 是 带 电 粒 子 在 物 质 中 行 进 速 度 大 于 光 在 媒 质 中 的 速 度 传 播 时, 这 种 带 电 粒 子 就 发 出 的 一 种 特 殊 辐 射 一 般 情 况 下, 人 的 肉 眼 是 看 不 见 这 种 辐 射 的, 但 这 种 辐 射 强 度 很 大 时, 会 在 核 反 应 堆 中 看 到 在 反 应 堆 的 池 水 中 就 可 以 看 到 微 弱 的 浅 蓝 色 的 辉 光 可 见 的 切 伦 科 夫 辐 射 是 由 于 反 应 堆 发 出 的 高 能 电 子 的 速 度 比 光 在 水 中 的 速 度 大, 并 比 光 在 真 空 中 的 速 度 小 的 原 因 引 起 的 这 时 的 电 子 行 进 速 度 在 ~3 108 米 / 秒 当 切 伦 科 夫 的 文 章 发 表 后, 切 伦 科 夫 的 两 位 同 事 弗 兰 克 和 塔 姆 对 这 种 效 应 做 出 了 适 宜 的 解 释 他 们 认 为, 这 种 辐 射 是 带 电 粒 子 在 物 质 中 形 成 的 电 磁 冲 击 波 其 实, 在 日 常 生 活 中 也 能 见 到 类 似 这 种 切 伦 科 夫 辐 射 效 应 的 例 子 例 如, 当 船 在 水 中 以 大 于 水 波 的 波 速 运 动 时, 船 前 的 波 就 会 产 生 类 似 切 伦 科 夫 的 效 应 ; 又 如 喷 气 式 飞 机 在 空 气 中 以 大 于 声 速 运 动 时, 飞 机 前 的 空 气 波 也 可 以 产 生 类 似 切 伦 科 夫 辐 射 的 效 应 由 于 切 伦 科 夫 弗 兰 克 和 塔 姆 的 研 究, 他 们 一 起 共 同 获 得 了 1958 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 切 伦 科 夫 效 应 在 高 能 物 理 中 获 得 了 广 泛 的 应 用 根 据 切 伦 科 夫 效 应 制 作 成 的 切 伦 科 夫 计 数 器 可 用 于 记 录 带 电 粒 子 所 发 出 的 微 弱 切 伦 科 夫 辐 射 制 作 时 所 选 用 的 物 质 可 以 是 玻 璃 水 或 纯 塑 料, 当 带 电 粒 子 以 大 于 光 在 该 媒 质 中 的 传 播 速 度 进 入 这 些 媒 质 时, 就 会 产 生 切 伦 科 夫

25 辐 射, 而 后 用 光 电 学 方 法 检 测 出 来 这 种 计 数 器 非 常 灵 敏, 且 精 确 可 靠 它 不 但 可 以 确 定 粒 子 传 播 的 速 度, 而 且 可 以 精 确 地 确 定 粒 子 传 播 的 方 向 由 于 切 伦 科 夫 计 数 器 具 有 优 异 的 性 能, 1955 年, 人 们 在 探 测 反 质 子 时 就 使 用 了 切 伦 科 夫 计 数 器 神 奇 的 核 乳 胶 法 由 于 云 室 是 卡 文 迪 什 实 验 室 的 威 尔 逊 发 明 的, 后 又 经 过 该 实 验 室 的 布 莱 克 特 的 改 进, 因 此, 卡 文 迪 什 实 验 室 在 云 室 研 究 方 面 具 有 巨 大 的 优 势, 也 因 此 对 云 室 的 研 究 继 续 深 入, 塞 西 尔 鲍 威 尔 就 是 其 中 的 优 秀 代 表 之 一 离 开 卡 文 迪 什 实 验 室 后, 鲍 威 尔 来 到 布 里 斯 托 尔 大 学 工 作 由 于 仔 细 研 究 了 测 量 正 离 子 迁 移 的 技 术, 因 此 他 对 多 数 气 体 中 的 离 子 特 性 有 很 深 的 认 识 在 20 世 纪 上 半 叶, 为 了 克 服 普 通 照 相 胶 片 不 能 记 录 单 个 粒 子 径 迹 的 缺 点, 一 些 科 学 家 开 始 尝 试 利 用 照 相 乳 胶 来 记 录 粒 子 的 径 迹, 但 有 些 技 术 难 题 不 能 解 决, 而 云 室 的 性 能 很 好, 因 此 许 多 人 就 放 弃 了 对 照 相 乳 胶 的 研 究, 而 照 相 乳 胶 至 多 只 在 宇 宙 线 探 测 器 中 利 用 然 而, 从 1938 年 起, 鲍 威 尔 与 他 的 同 事 合 作 开 始 利 用 照 相 乳 胶 来 测 量 中 子 的 能 量 不 久, 他 们 就 发 现 这 种 方 法 在 核 物 理 研 究 中 有 很 大 用 处 为 此, 他 们 想 利 用 性 能 更 好 的 照 相 乳 胶 1947 年, 他 与 奥 恰 里 尼 一 起 利 用 乳 胶 研 究 宇 宙 线, 发 现 了 冗 介 子 以 及 丌 介 子 的 衰 变 过 程 和 K 介 子 的 衰 变 过 程 鲍 威 尔 的 成 功 也 驱 散 了 人 们 对 照 相 法 的 怀 疑 由 于 这 种 探 测 物 质 使 用 的 是 照 相 乳 胶, 而 且 用 于 核 物 理 的 研 究, 因 此 这 种 方 法 也 被 称 做 核 乳 胶 法 鲍 威 尔 与 他 的 同 事 经 过 几 年 的 研 究, 做 了 多 种 实 验, 并 且 不 断 改 进 着 材 料 的 性 质, 设 计 出 了 分 析 粒 子 径 迹 的 光 学 设 备, 使 照 相 技 术 达 到 了 很 高 的 水 平 他 们 令 人 信 服 地 证 明, 照 相 法 与 云 室 和 计 数 器 一 样, 都 是 非 常 有 效 的, 并 且 有 些 方 面 还 超 过 了 云 室 和 计 数 器 的 技 术 水 平 核 乳 胶 法 比 照 相 法 节 省 时 间 和 材 料, 使 用 威 尔 逊 云 室, 在 张 照 片 中 可 以 得 到 1600 条 粒 子 径 迹, 而 鲍 威 尔 他 们 用 核 乳 胶 法 在 一 个 3 厘 米 2 的 照 相 底 片 中 就 找 到 了 3000 条 的 粒 子 径 迹 而 且 经 过 鲍 威 尔 等 人 改 进 的 照 相 法 还 可 以 连 续 记 录 粒 子 的 径 迹, 而 威 尔 逊 的 云 室 则 只 能 记 录 短 暂 的 时 间 如 果 在 乳 胶 中 加 入 一 些 原 子, 还 可 供 特 殊 的 研 究 他 们 将 这 种 新 型 乳 胶 放 在 海 拔 2800 米 和 海 拔 5500 米 的 高 山 观 测 站, 在 乳 胶 中 记 录 了 大 量 的 孤 立 粒 子 的 径 迹, 以 及 粒 子 蜕 变 的 分 叉 数 各 不 相 同 的 星 ( 也 被 称 做 星 裂 ) 这 些 星 就 是 一 些 质 量 较 小 的 粒 子 闯 入 乳 胶, 打 到 乳 胶 中 一 个 原 子 核 上, 并 引 起 了 蜕 变 经 过 认 真 的 研 究, 他 们 发 现 这 是 一 种 质 量 为

26 电 子 质 量 200 多 倍 的 介 子, 且 带 负 电 1947 年, 鲍 威 尔 与 他 的 同 事 报 告 了 所 发 现 的 介 子, 以 及 所 产 生 的 二 次 介 子 为 此, 他 们 将 初 始 介 子 叫 做 丌 介 子, 二 次 介 子 叫 做 弘 介 子 其 中 丌 介 子 比 弘 介 子 的 质 量 略 高, 但 所 带 的 电 荷 都 等 于 基 本 电 荷 接 着, 鲍 威 尔 还 使 用 乳 胶, 发 现 弘 介 子 在 径 迹 的 末 端 蜕 变 为 一 个 带 电 的 轻 粒 子 和 两 个 以 上 的 中 性 粒 子 后 来, 鲍 威 尔 又 将 核 乳 胶 放 置 在 一 个 直 径 20 米 的 大 气 球 上, 并 将 气 球 升 到 米 的 高 空, 在 空 中 停 留 了 一 段 时 间, 结 果 又 发 现 了 介 子 ( 今 天 叫 K 介 子 ) 和 负 丌 介 子 为 了 改 进 乳 胶 的 感 光 性 能, 可 以 增 加 乳 胶 中 的 感 光 物 质 的 颗 粒, 增 加 其 单 位 体 积 颗 粒 数 生 产 胶 片 的 一 些 科 学 家 发 现, 如 果 在 胶 片 中 提 高 溴 化 银 的 浓 度, 就 可 使 核 乳 胶 的 感 光 性 能 和 显 影 效 果 更 好 可 见, 原 子 核 乳 胶 是 一 种 特 制 的 感 光 胶 片, 与 传 统 的 照 相 底 片 相 比, 核 乳 胶 具 有 一 些 特 殊 的 性 质 : 第 一, 感 光 材 料 溴 化 银 的 含 量 高, 一 般 是 普 通 照 相 胶 片 的 4~5 倍, 增 加 了 它 的 灵 敏 度 第 二, 普 通 照 相 胶 片 的 感 光 颗 粒 比 较 大, 而 且 是 相 互 连 在 一 起 的 使 用 这 样 的 底 片 要 想 记 录 单 个 粒 子 的 径 迹 是 做 不 到 的, 而 原 子 核 乳 胶 情 况 就 大 不 相 同 了 感 光 颗 粒 小 得 多, 大 约 只 有 0 1~0 6 毫 米, 颗 粒 之 间 是 相 互 分 开 的, 具 有 这 样 结 构 的 一 种 乳 胶, 非 常 适 合 于 单 个 粒 子 的 行 为 和 相 关 性 质 的 研 究 第 三, 原 子 核 乳 胶 可 以 制 作 得 比 较 厚, 约 100 微 米 使 用 的 时 候 往 往 还 要 把 多 层 乳 胶 片 叠 加 起 来 使 用 这 样, 可 以 进 一 步 提 高 探 测 的 灵 敏 度 第 四, 由 于 核 乳 胶 的 密 度 与 气 体 液 体 相 比 要 大 得 多, 因 此 带 电 粒 子 在 核 乳 胶 中 形 成 的 径 迹 只 有 空 气 中 的 千 分 之 一, 这 样, 容 易 观 察 到 粒 子 的 整 个 行 踪 此 外, 核 乳 胶 能 够 连 续 工 作, 将 入 射 粒 子 每 时 每 刻 的 表 现 都 可 以 记 录 下 来, 供 人 们 研 究 时 使 用 由 于 制 作 原 子 核 乳 胶 的 感 光 颗 粒 大 小 不 一, 对 于 各 种 射, 线 的 灵 敏 度 存 在 着 明 显 的 差 异, 因 此 可 以 使 用 各 种 胶 片 来 研 究 不 同 性 质 的 粒 子 比 较 小 的 核 乳 胶 颗 粒 只 对 电 离 作 用 强 的 一 类 射 线 比 较 敏 感, 容 易 留 下 踪 迹 ; 比 较 大 的 一 些 核 乳 胶 颗 粒 对 于 粒 子 质 子 和 介 子 等 一 类 重 粒 子 灵 敏 度 高 ; 至 于 普 通 光 线, 核 乳 胶 的 灵 敏 度 就 很 差 了 人 们 可 以 根 据 入 射 粒 子 在 原 子 核 乳 胶 中 留 下 的 径 迹, 测 量 出 粒 子 的 行 程, 研 究 它 们 的 性 质, 判 断 粒 子 的 类 型 等 如 果 是 高 能 量 的 入 射 粒 子, 还 能 够 探 测 到 粒 子 被 原 子 核 多 次 散 射 的 情 况 由 于 原 子 核 乳 胶 非 常 轻 便, 因 此 很 容 易 带 到 建 于 高 山 上 的 观 测 站, 并 且 还 可 以 用 气 球 或 者 用 火 箭 将 其 送 入 高 空 进 行 探 测, 用 来 捕 捉 宇 宙 线 的 信 息 早 在 1945 年, 核 乳 胶 就 开 始 应 用 于 高 能 物 理 方 面 的 研 究 工 作, 尤 其 是 宇 宙 线 的 探 索 方

27 面 1947 年, 鲍 威 尔 等 人 利 用 核 乳 胶 在 宇 宙 线 中 发 现 了 丌 介 子 在 以 后 的 岁 月 中, 人 们 利 用 核 乳 胶 探 测 技 术, 在 宇 宙 线 中 又 接 连 不 断 地 发 现 了 一 批 新 粒 子, 如 K 介 子 K- 介 子, 超 子 反 Λ0 超 子 等 核 乳 胶 记 录 到 的 粒 子 径 迹 的 照 片 中, 还 可 以 观 察 到 一 些 高 能 量 质 子 与 核 乳 胶 中 的 原 子 核 相 撞 产 生 的 星 裂 现 象, 其 产 物 中 存 在 有 重 介 子 和 超 子 等 粒 子 由 于 核 乳 胶 的 高 性 能, 特 别 是 的 威 尔 等 人 的 研 究 成 果, 一 时 间 使 核 乳 胶 身 价 倍 增, 在 此 后 一 个 时 期 内 被 许 多 实 验 室 用 于 核 物 理 学 和 粒 子 物 理 学 的 研 究 中 当 然, 核 乳 胶 也 有 一 些 缺 陷, 但 直 到 气 泡 室 和 火 花 室 等 探 测 器 的 研 制 成 功, 核 乳 胶 才 逐 渐 被 取 代 多 丝 正 比 室 的 奥 妙 1968 年, 一 个 叫 乔 治 夏 帕 克 的 科 学 家 发 明 了 一 种 新 型 的 探 测 器 多 丝 正 比 室 夏 帕 克 出 生 在 波 兰, 后 移 民 到 法 国 并 成 为 法 国 公 民 1959 年, 夏 帕 克 到 欧 洲 原 子 核 研 究 中 心 工 作, 一 开 始 他 就 将 注 意 力 集 中 到 粒 子 探 测 器 的 研 究 上, 并 研 制 出 了 几 种 新 型 的 火 花 室 在 20 世 纪 60 年 代, 由 于 格 拉 泽 和 阿 尔 瓦 雷 斯 先 后 获 得 诺 贝 尔 物 理 学 奖, 气 泡 室 的 研 制 受 到 了 许 多 科 学 家 的 重 视, 而 且 利 用 气 泡 室 也 的 确 发 现 了 许 多 新 的 粒 子 然 而, 在 这 时, 夏 帕 克 却 将 注 意 力 转 移 到 了 一 种 新 型 探 测 器 的 研 制 上, 这 就 是 多 丝 正 比 室, 并 且 他 还 获 得 了 成 功 多 丝 正 比 室 中 的 正 比 概 念 早 在 1928 年 就 已 被 盖 革 等 人 研 究 过 正 比 探 测 技 术 是 基 于 一 种 雪 崩 的 机 制 实 际 的 雪 崩 是 这 样 一 种 过 程, 当 有 一 大 块 雪 向 下 滚 动 时, 就 会 牵 动 另 一 块 雪, 在 重 力 作 用 下, 雪 块 运 动 速 度 越 来 越 快, 并 且 会 引 起 大 批 雪 块 泥 石 冰 团 的 飞 泄 而 下 1928 年, 盖 革 等 人 首 次 利 用 雪 崩 概 念 研 制 成 功 一 种 新 型 的 探 测 器 正 比 计 数 器, 这 就 是 上 面 介 绍 的 盖 革 计 数 管 然 而 这 种 计 数 管 的 定 位 精 度 只 能 达 到 厘 米 的 量 级, 而 多 丝 正 比 室 的 定 位 精 度 则 可 达 到 毫 米 量 级 所 谓 多 丝 就 是 多 个 阳 级, 而 阳 极 实 际 上 就 是 用 铍 - 铜 丝 制 成 的, 它 的 直 径 只 有 几 十 个 微 米, 丝 与 丝 的 间 距 为 2 毫 米 左 右 这 种 径 迹 室 内 包 衬 阴 极, 将 多 个 阳 极 丝 植 入 中 央 在 夏 帕 克 研 究 的 最 初, 人 们 认 为 阳 极 丝 的 间 距 太 小, 会 在 彼 此 之 间 产 生 感 应 而 不 能 正 常 工 作 但 夏 帕 克 则 持 相 反 的 看 法 他 认 为, 每 根 阳 极 丝 都 会 像 一 个 盖 革 计 数 管 那 样 工 作, 而 且 每 根 丝 都 能 承 担 极 高 的 计 数 速 度, 可 高 达 每 秒 几 十 万 次 况 且, 多 丝 正 比 室 的 结 构 简 单, 可 根 据 需 要 制 成 各 种 不 同 的 装 置 如 果 将 每 个 阳 极 丝 各 自 接 上 一 个 放 大 器, 再 将 所 有 的 信 号 集 中 处 理, 可 以 大 大 降 低 能 量

28 的 消 耗 而 这 种 对 信 号 的 集 中 处 理 和 存 贮, 在 计 算 机 技 术 高 度 发 展 的 现 代 条 件 下 是 完 全 可 能 的 由 于 夏 帕 克 在 欧 洲 原 子 核 研 究 中 心 工 作, 这 里 有 上 千 名 科 学 家 研 究 和 工 作, 这 种 新 的 探 测 技 术 立 刻 就 被 派 上 了 用 场, 并 且 很 快 被 流 传 到 许 多 实 验 室 中 像 华 裔 科 学 家 γ 中 发 现 J 粒 子 时, 他 就 使 用 了 多 丝 正 比 室 20 世 纪 80 年 代, 欧 洲 原 子 核 研 究 中 心 发 现 的 一 些 新 粒 子, 也 用 到 了 多 丝 正 比 室 从 20 世 纪 80 年 代 中 期 以 来, 夏 帕 克 还 将 多 丝 正 比 室 推 广 到 粒 子 物 理 学 的 领 域 之 外, 使 高 能 物 理 学 的 知 识 直 接 为 人 类 造 福 在 成 像 和 精 确 显 微 技 术 上, 夏 帕 克 的 技 术 就 有 了 用 武 之 地 在 日 内 瓦 大 学 医 学 中 心 和 法 国 的 一 些 医 疗 中 心, 这 些 新 式 仪 器 就 被 用 在 X 射 线 和 β 射 线 的 成 像 诊 断 中 由 于 多 丝 正 比 室 的 发 明, 夏 帕 克 获 得 了 1992 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 神 秘 的 AMS 1998 年 6 月 2 日 下 午 6 时 8 分 ( 美 国 东 部 夏 令 时 ), 我 国 时 间 是 6 月 3 日 的 清 晨, 一 台 大 型 的 现 代 化 的 科 学 实 验 仪 器 阿 尔 法 磁 谱 仪, 简 称 AMS, 搭 载 美 国 发 现 号 航 天 飞 机, 成 功 地 在 太 空 遨 游 了 10 天, 这 是 人 类 历 史 上 第 一 次 将 一 台 大 型 的 磁 谱 仪 送 入 宇 宙 空 间, 标 志 着 人 类 在 探 索 宇 宙 奥 秘 的 事 业 中 揭 开 了 新 的 篇 章 宇 宙 起 源 问 题 一 直 是 人 们 探 索 的 重 大 课 题 之 一, 宇 宙 大 爆 炸 理 论 则 是 人 们 关 注 的 焦 点 为 了 早 日 揭 开 宇 宙 之 谜, 近 几 十 年 来, 各 国 科 学 家 曾 提 出 过 各 种 各 样 的 研 究 方 案, 试 图 将 一 台 大 型 磁 谱 仪 送 入 太 空 ; 实 现 对 宇 宙 空 间 带 电 粒 子 进 行 直 接 观 测 磁 谱 仪 的 关 键 部 件 是 一 个 高 强 度 性 能 稳 定 适 合 于 太 空 运 行 的 大 型 磁 铁 由 于 制 造 这 种 磁 铁 技 术 性 强, 难 度 大, 一 直 未 能 研 制 出 这 种 磁 铁, 致 使 这 一 重 大 科 研 课 题 始 终 未 能 进 行 研 究 如 今, 我 国 科 技 人 员 为 实 现 这 一 跨 世 纪 的 国 际 合 作 科 学 实 验 做 出 了 重 要 的 贡 献, 填 补 了 这 方 面 的 空 白, 从 而 使 这 个 长 期 悬 而 未 决 的 问 题 有 了 研 究 的 可 能 从 指 南 针 到 阿 尔 法 磁 谱 仪 中 的 永 磁 铁, 可 谓 源 远 流 长, 耐 人 寻 味 指 南 针 为 我 国 古 代 的 四 大 发 明 之 一, 世 人 皆 知 早 在 战 国 时 期 ( 公 元 前 475~ 前 221 年 ), 人 们 便 将 磁 石 制 成 能 够 指 示 方 向 的 仪 器, 称 为 司 南 后 来, 人 们 又 利 用 磁 针 指 南, 制 成 了 人 类 历 史 上 最 早 的 指 南 针 到 了 北 宋 时 期, 古 人 已 开 始 将 指 南 针 应 用 于 航 海 技 术 中 在 海 船 上, 安 装 了 指 南 针, 它 就 能 够 准 确 地 为 人 们 辨 认 航 向, 为 人 类 航 海 事 业 的 发 展 做 出 了 重 大 的 贡 献 到 了 南 宋 时 期,