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怎麽會有正電子?是怎麽形成的?

1936諾貝爾物理學獎-宇宙輻射和正電子發現

1937諾貝爾物理學獎的壹半頒給了奧地利因斯布魯克大學的維克多·弗朗茨·赫斯(1883—1964),以表彰他對宇宙輻射的發現。另壹半授予美國加州帕薩迪納市加州理工學院的卡爾·大衛·安德森(1883—1964),以表彰他發現正電子。

宇宙輻射也叫宇宙射線或宇宙射線。在現代物理學的發展史上,宇宙線的研究占有壹定的地位,許多新粒子都是在宇宙線中首次發現的。比如正電子、μ子等。在雲室中發現了π介子,在核乳膠中發現了π介子。在高能加速器出現之前,人們不得不依靠自然來源進行研究,而宇宙射線是理想的觀測對象,具有高能低強度的特點,非常便於觀測。所以壹經發現,就成了人們爭相研究的對象。

早在第壹次在自由空間觀察到放射性時,人們就註意到了宇宙射線的跡象。曾經壹度認為驗電器的殘漏是因為空氣或灰塵中的放射性物質。在1903中,盧瑟福和H.L .庫克研究了這個問題。他們發現,如果小心地移走所有的放射源,驗電器的每立方厘米每秒會產生大約十對離子。他們用鐵和鉛完全屏蔽了驗電器,離子的產生可以減少幾乎十分之三。他們在論文中提出,可能存在某種穿透力很強的輻射,類似於伽馬射線,從外部進入驗電器,從而激發二次放射性。

為了找出這種現象的原因,萊特在1909加拿大安大略湖冰面上重復了上述實驗,遊離數略有下降,這似乎是遠離地面的原因。1910年,法國的F.T.Wulf在巴黎300米高的埃菲爾鐵塔頂上進行了壹次實驗。對比塔頂和地面的殘余電離強度,結果是塔頂約為地面的64%,高於他預期的10%。他認為高層大氣中可能存在伽馬源,或者伽馬射線的吸收可能比預期的要小。1910年——1911年,A.Gockel將電離室帶到瑞士蘇黎世4500 m的高度,記錄了幾個不同高度的放電率。他的結論是:“輻射隨高度增加而減少的現象...比以前觀察到的更加顯著。”

人們無法就這種異常輻射的來源達成壹致,但來自地面的觀點仍占上風。最好做更可靠的實驗來證實。

奧地利物理學家赫斯恰好是氣球飛行的業余愛好者。他設計了壹套裝置,懸掛在氣球下面,主要是壹個封閉的自由室,壁厚足以抵抗壹個大氣壓的壓差,靜電計的指示經過溫度補償後直接記錄下來。他做了十個偵察氣球,每個氣球上裝有2 ~ 3個可以同時工作的自由室。

1911年,第壹個氣球升到1070 m,結果是在那個高度以下,輻射幾乎和海平面壹樣。次年,氣球到達5350 m,準確的結果是自由流起初略有下降,800 m以上似乎略有上升,明顯超過了1400 m~2500 m m之間的海平面值,高出地面5000 m好幾倍,1912年,赫斯在《物理學雜誌》上發表了題為《七個自由氣球中的穿透輻射》的論文,最後寫道:

“這裏給出的觀測結果所反映的新發現,可以用這樣壹種假設得到最好的解釋:穿透力很強的輻射從外部進入大氣,甚至大氣底部的計數器(指電離室)都會產生電離。輻射的強度似乎每小時都在變化。因為我沒有發現日食期間或夜間氣球飛行期間輻射有任何減少,所以我們很難認為太陽是輻射源。”

1914年,德國物理學家W·科爾霍斯特將氣球升至9300 m,自由流比海平面大50倍,證實了赫斯的判斷。

赫斯的發現引起了人們的極大興趣。此後,科學界對宇宙射線的各種效應和起源進行了廣泛的研究。

赫斯1883於6月24日出生於奧地利施泰爾馬克的佩格。

佩高附近的瓦爾德斯坦城堡。他的學生時代都是在格拉茨度過的,從1893-1901年在格拉茨中學,從1901年在格拉茨大學,從1906555年在格拉茨大學。

赫斯在維也納物理研究所工作了壹段時間,在那裏馮·施韋德勒教授教給他放射性領域的新發現。在1910—1920期間,赫斯在維也納科學院鐳研究所擔任S .邁耶的助手。1919年因發現“超級輻射”(宇宙輻射)獲得李本獎,次年成為格拉茨大學實驗物理學特聘教授。

從1921到1923,赫斯獲準在美國工作,擔任美國新澤西州奧蘭治鐳科學公司研究實驗室主任和華盛頓特區美國內政部(礦務局)物理顧問..

研究宇宙射線的第壹個顯著成就是發現了正電子。這是C.D. Anderson在1932做的。安德森是加州理工學院物理學教授R.A .密立根的學生。他從1930開始就和密立根壹起研究宇宙射線。雖然密立根關於宇宙射線起源的觀點後來被證明是錯誤的,但他和他的學生們對宇宙射線的研究做出了許多貢獻,發展了各種觀測宇宙射線的實驗技術,組織了許多科學考察。C.D. Anderson從1930開始負責用雲室觀測宇宙射線。雲室被放置在磁場中。為了鑒別粒子的性質,在雲室裏安裝了幾塊金屬板。當粒子穿過金屬板時,它們的能量可以被分辨出來。1932年8月2日,C.D. Anderson在照片中發現了壹個奇怪的軌跡,它與電子軌跡相似,但方向相反(圖36-1),表明它是壹個帶正電的粒子。從曲率來看,不可能是質子。於是他果斷斷定,這是壹個帶正電的電子。當時C.D .安德森還不知道狄拉克的電子理論,更不知道他已經預言了正電子的可能性。狄拉克在他的相對論電子理論中做出了這個預測。從他的方程可以看出,電子不僅要有正能量態,還要有負能量態。他認為這些負能量狀態通常被占據,偶爾會有壹個狀態空缺出來,形成壹個“洞”。他寫道:“如果有壹個洞,那將是壹個實驗物理未知的新粒子。它的質量與電子相同,電荷與電子相同,但符號不同。我們可以稱之為反電子。”他還預言:“可以假設質子也會有自己的負態。.....未滿的狀態表現為反質子。”反質子的預言直到1945年才被埃米利奧·塞格雷證實。

關於正電子產生的機制,C.D .安德森解釋錯了。他認為初級宇宙射線擊中原子核中的中子會將中子分裂成正電子和負質子。為此,他還建議實驗人員尋找這種“負質子”。後來,P.M.S.Blackett和G.P.S.Occhialini從對簇射現象的觀察中明確了正電子產生的機制。他們用蓋革計數器自動控制雲室,第壹次看到正負電子對的產生。他們正確地解釋了簇射現象是由於當伽馬射線經過原子核附近時,可以轉換成正負電子對,同時產生更多的伽馬射線,從而產生雪崩現象。

正電子的發現對研究光與物體之間的相互轉化具有重要意義,使人們對“基本粒子”的認識有了質的飛躍。

C.D. Anderson 1905出生於美國紐約,父母是瑞典人。安德森壹生的大部分時間都在美國度過。1927畢業於加州理工學院,獲物理與工程學士學位,1930獲該院哲學博士學位。在1930-1933期間,安德森是學院的研究員,後來成為1933的物理學副教授和1939的物理學教授。二戰期間(1941—1945)積極參加國防研究委員會和科研發展部工作。

他早期的研究屬於x光領域。為了準備博士論文,他研究了各種氣體通過X射線發出的光電子的空間分布。1930年,他和密立根教授壹起研究宇宙射線。正是因為這項工作,他在1932發現了正電子。他研究了宇宙射線粒子的能量分布和高速電子穿過物質時的能量損失。1933年,他與內德邁爾壹起,首次直接證實了THC“①發出的伽馬射線在穿過物質時會產生正電子。從1933開始,他從事輻射和基本粒子方面的工作。

由於宇宙射線與正電子的發現密切相關,諾貝爾委員會將1936諾貝爾物理學獎授予了這兩個相關項目,布拉特因改進雲室技術並做出壹系列關於核物理和宇宙射線的新發現而獲得了1948諾貝爾物理學獎。