威爾遜云室的發(fā)明及對物理學(xué)的貢獻(xiàn)

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

20世紀(jì)物理學(xué)取得了輝煌的成就，人們的視線已經(jīng)由宏觀深入到微觀.各種粒子探測器的發(fā)明使用，使粒子物理學(xué)和核物理學(xué)取得重大進(jìn)展.在各種粒子探測器中，尤為值得人們紀(jì)念的是威爾遜云室的發(fā)明.它的發(fā)明，使人們認(rèn)識了不少新粒子，并導(dǎo)致一批物理學(xué)家榮獲諾貝爾物理學(xué)獎.在20世紀(jì)物理學(xué)史上，人們永遠(yuǎn)不會忘記它的發(fā)明者——C·T·R威爾遜.

1 C·T·R威爾遜生平

威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson , 1869～1959年)于1869年2月14日生于英國愛丁堡附近的格林科斯教區(qū).父親約翰·威爾遜是一位牧羊主.威爾遜4歲時，父親不幸去世，母親帶著全家遷至曼徹斯特.威爾遜先在一家私立學(xué)校讀書，15歲時考入歐文斯學(xué)院(現(xiàn)在的曼徹斯特大學(xué)).由于想當(dāng)醫(yī)生，威爾遜選修了生物學(xué)，1887年獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位.他又花了一年時間學(xué)習(xí)哲學(xué)等古典課程，獲得了進(jìn)入劍橋錫德尼蘇塞克斯學(xué)院的獎學(xué)金.在劍橋，他對物理學(xué)和化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣并進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，1892年畢業(yè)留校當(dāng)研究生，1896年獲物理學(xué)博士學(xué)位，1900年成為蘇塞克斯學(xué)院的講師.從那時起直到1918年，他在卡文迪什實(shí)驗室負(fù)責(zé)物理實(shí)驗的教學(xué)工作，同時講授光學(xué).從1925年起，他一直擔(dān)任劍橋大學(xué)的自然哲學(xué)杰克遜講席的教授，直到1934年退休.退休后他離開劍橋，回到了家鄉(xiāng)蘇格蘭，1959年11月15日病逝，享年90歲.

威爾遜一生成績卓著，獲得了各種榮譽(yù)與勛章：1900年被選為英國皇家學(xué)會會員，1911年獲得休斯獎?wù)拢?920年獲得劍橋哲學(xué)學(xué)會的霍普金斯獎金，1921年獲得愛丁堡皇家學(xué)會的岡寧獎金，1922年獲得皇家獎?wù)?1925年獲得富蘭克林研究所的霍華德波茨(Howard Potts)獎?wù)拢?927年與康普頓共獲該年度的諾貝爾物理學(xué)獎.

2 意外的發(fā)現(xiàn)

1894年9月，威爾遜在大不列顛的最高峰、蘇格蘭境內(nèi)的尼維斯山的天文觀測站度過了幾星期.他回憶起在山上的情景：“當(dāng)太陽照射山頂上的云霧時所呈現(xiàn)出的奇妙光學(xué)景象，特別是太陽周圍的彩環(huán)以及山頂和人在云霧上的影子周圍呈現(xiàn)的彩環(huán)，使我發(fā)生了極大的興趣.我想在實(shí)驗室里模擬這些現(xiàn)象.”誰料想，正是這次對大自然美景的模擬實(shí)驗，使威爾遜獲得意外發(fā)現(xiàn)，并導(dǎo)致后來以他的名字命名的云室的發(fā)明.

1895年初，威爾遜在卡文迪什實(shí)驗室開始了對云霧形成的研究，他利用柯利耳(Colier)和愛特肯(J.Aitken)的方法，使潮濕空氣膨脹形成云霧，實(shí)驗獲得了成功.然而，在實(shí)驗中他意外地發(fā)現(xiàn)，愛特肯有一個經(jīng)驗與事實(shí)有些不符.愛特肯認(rèn)為，當(dāng)空氣中沒有塵埃時不能產(chǎn)生云霧，但威爾遜的實(shí)驗結(jié)果卻是，使無塵埃的潮濕空氣膨脹而造成較大程度的過飽和，的確不會形成云霧，但當(dāng)過飽和超過一定限度時就形成了云霧.于是他做了一個測量膨脹的儀器，潮濕空氣可在這個儀器中作反復(fù)的突然膨脹而且不被污染，體積可任意調(diào)節(jié).他發(fā)現(xiàn)，膨脹比有一個臨界值，無塵埃的潮濕空氣的膨脹比若不超過這個限度，就不會形成水滴；如果超過了這個限度，就會看到有細(xì)雨似的水滴下降.威爾遜利用改進(jìn)的儀器重新做了實(shí)驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)還存在第二臨界膨脹值，如果膨脹比超過這個限度，在無塵空氣中就會形成密云.此時的凝聚除了蒸氣或氣體分子外沒有任何其他凝結(jié)核參與.威爾遜對這個實(shí)驗現(xiàn)象作了分析.他想，在膨脹實(shí)驗中，凝結(jié)核的數(shù)目是有限的，而且總是會重新產(chǎn)生；凝結(jié)核的大小與分子的大小差不多，“它們是帶電的原子或離子嗎？”威爾遜猜測道.

3 云室的發(fā)明

1895年秋，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的消息傳到英國，1896年初，卡文迪什實(shí)驗室主任J·J·湯姆孫(Joseph John Thomson ,1856～1940年)就開始了空氣受X射線照射后導(dǎo)電特性的研究，并提出氣體電離理論.威爾遜因而有機(jī)會接觸當(dāng)時原始形式的X射線管.他用X射線照射云室，發(fā)現(xiàn)在膨脹比達(dá)到一定限度時形成了云霧.這個實(shí)驗表明，X射線產(chǎn)生了大量的凝結(jié)核，它們和空氣中產(chǎn)生的極少量的核同屬一類.在此后的兩年中，威爾遜用他發(fā)明的膨脹儀研究了X射線、新發(fā)現(xiàn)的鈾射線、紫外線、尖端放電及其他方法在空氣中產(chǎn)生的凝結(jié)核.實(shí)驗結(jié)果表明，由純粹電離作用產(chǎn)生的核使水蒸氣凝聚所要求的最小過飽和值全都相同，由電離作用產(chǎn)生的凝結(jié)核在電場中的性質(zhì)表明它們確實(shí)是帶電離子.這就支持了J·J·湯姆孫的氣體電離理論.這些研究報告于1898年秋送交了皇家學(xué)會.

帶電粒子看不見，但帶電粒子作為凝結(jié)核可以使水蒸氣在它周圍凝成霧珠，霧珠是看得見的.可以利用這個性質(zhì)來顯示帶電粒子的蹤跡.遺憾的是，由于威爾遜忙于別的研究工作，沒有繼續(xù)從事這方面的研究.

直到1910年，威爾遜重新開始了膨脹云室的研究，他現(xiàn)在思考的問題是使已知電荷的離子通過凝聚而成為可見的、可數(shù)的和可照相的痕跡的方法.當(dāng)時，α和β射線的微粒性概念已得到人們的確認(rèn)，他想，當(dāng)帶電粒子穿過空氣時由于和空氣中的氣體分子碰撞而使氣體分子電離，從而在入射粒子的運(yùn)動路徑上生成大量的正負(fù)離子對，過飽和的水蒸氣將以這些正負(fù)離子為核心凝成霧珠，而霧珠是可見的和可照相的.有了這種想法，威爾遜開始著手試驗膨脹儀器的最合適的形狀，尋找拍攝云霧顆粒的瞬時照相的有效方法.1911年春，試驗尚未完成.有一天，他用已做好的粗糙儀器試驗一下能否看見某些痕跡，實(shí)驗用的是X射線，雖然沒抱多少成功的希望，但結(jié)果卻令他欣喜：云室中出現(xiàn)了云霧構(gòu)成的細(xì)小線條，這些線條就是由于射線作用而產(chǎn)生的電子的徑跡.后來，他把閃爍鏡上裝有鐳的金屬片放到云室里，第一次看到了沿α粒子徑跡凝聚成的非常漂亮的云霧圖像；當(dāng)讓適當(dāng)?shù)姆派湓纯拷剖視r，還看到了快速β粒子的長線狀徑跡.1911年夏，可拍照的膨脹云室終于設(shè)計完成了，他用α粒子的徑跡照片，證實(shí)了W·H布拉格不久前關(guān)于X射線粒子性的分析.威爾遜指出，要得到一張好的云室徑跡照片，需要滿足兩個條件：首先，膨脹不能攪動氣體.為了保證這一點(diǎn)，可使用扁而寬的云室，它的底可以突然下降，可根據(jù)要求增加容積.其次，云室內(nèi)不能有“塵?！绷Ｗ?，也不能有離子，待觀察的電離離子除外.為此，需在云室的頂部和底部之間加一個電場.

4 云室的改進(jìn)及對粒子物理學(xué)的貢獻(xiàn)

威爾遜云室能使那些小得無法直接觀察的粒子的運(yùn)動軌跡顯示出來，甚至也可把那些高速粒子發(fā)生相互撞擊使運(yùn)動方向發(fā)生改變的情形拍攝下來.因此，它一經(jīng)發(fā)明便立即受到人們的普遍重視與運(yùn)用，對于檢驗理論和探索新型粒子做出了不可磨滅的貢獻(xiàn).

1923年康普頓(Arthur Holly Compton,1892～1962年)發(fā)現(xiàn)了X射線散射后波長變長的現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)，他用光子與電子碰撞時動量與能量守恒定律作出解釋.在人們對此將信將疑時，威爾遜用云室拍攝到的反沖電子的徑跡，令人信服地證實(shí)了康普頓散射理論，為愛因斯坦光子說提供了實(shí)驗依據(jù).由于這項工作及他發(fā)明的云室，他和康普頓共獲1927年度諾貝爾物理獎.

后來，人們利用威爾遜云室又發(fā)現(xiàn)了許多新型粒子.首先是正電子的發(fā)現(xiàn).1932年，美國加州理工學(xué)院的C·D·安德森(Carl David Anderson,1883～1964年)利用威爾遜云室研究宇宙射線，在宇宙射線的云室照片中發(fā)現(xiàn)了正電子的徑跡，這是利用云室發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子——正電子，從而證實(shí)了狄拉克(P.A.M.Dirac)關(guān)于存在正電子的預(yù)言.安德森因此榮獲1936年度諾貝爾物理獎.1937年，安德森又用它發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹在1935年從理論上預(yù)言的μ(介)子.1955年，我國科學(xué)家王淦昌和他的合作者利用大型云室發(fā)現(xiàn)了反西格馬負(fù)超子.

1925年在卡文迪什實(shí)驗室，年輕的布拉開特(M.S.Blackett，1897～1974年)在盧瑟福和威爾遜的指導(dǎo)下致力于用云室研究α粒子撞擊氮原子核的問題.他從拍攝到的兩萬多張云室照片中得到了8張照片，證實(shí)了盧瑟福1919年所做的世界上最早實(shí)現(xiàn)的人工核反應(yīng)實(shí)驗.

1932年布拉開特(P.M.S.Blackett)和奧恰利尼(G.P.S.Occhialini)合作，開始用威爾遜云室研究宇宙射線.由于宇宙射線稀少，如果讓云室隨機(jī)地膨脹和拍照，大約每百張照片中只有2～5張上有宇宙射線的徑跡，這使他們想到云室攝影的自動化問題.解決的辦法是在豎直放置的云室上下兩側(cè)各置一蓋革計數(shù)管，使得經(jīng)過云室的宇宙射線必將先后穿過兩個計數(shù)管.布拉開特設(shè)計了一種電路，只有從兩個計數(shù)管來的訊號相耦合時才能觸發(fā)云室的膨脹而產(chǎn)生記錄照片.布拉開特用這種自動化技術(shù)控制云室攝影，約80%的照片上都有射線徑跡.他們通過對大約7 000張照片的分析，證實(shí)了幾個月前安德森發(fā)現(xiàn)的正電子，直觀地說明了正負(fù)電子對的產(chǎn)生和湮滅過程.1933年布拉開特轉(zhuǎn)到倫敦大學(xué)伯克貝克學(xué)院擔(dān)任教授.在那里，他繼續(xù)用云室方法研究宇宙射線，他研制出了用于云室的大面積勻強(qiáng)磁場裝置，并用這臺裝置拍攝了大量宇宙射線徑跡的照片.由于布拉開特對云室技術(shù)的改進(jìn)及由此對核物理和宇宙射線的一系列新發(fā)現(xiàn)而榮獲1948年度諾貝爾物理獎.

1952年，美國加州大學(xué)的格拉塞(D.A.Glaser)在云室中直接用液體代替氣體-蒸汽混合物而發(fā)明了泡室.泡室的出現(xiàn)為探測高能帶電粒子又提供了一種有效手段，為此格拉塞榮獲1960年度諾貝爾物理獎.

一件科學(xué)儀器的發(fā)明能導(dǎo)致如此多的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，能使如此多的人榮獲諾貝爾物理獎，這在諾貝爾授獎史上也是不多見的.難怪盧瑟福評價云室是“科學(xué)史上最新最精彩的儀器”.德國物理學(xué)家勞厄在物理學(xué)史中曾這樣評價云室，“在今天的物理學(xué)家中，很普遍地流行著這樣一種信念：不僅認(rèn)為原子具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且基本粒子也和外在世界的其他事物一樣，具有完全的實(shí)在性.但是，這還是不太久的事，對于它的懷疑持續(xù)到20世紀(jì)——但是，最主要的確實(shí)是威爾遜云室，它明顯地顯示了單個荷電基本粒子或原子的徑跡，從而排除了一切的懷疑.”回首20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，我們不得不對威爾遜這個偉大的名字表示深深的敬仰.

參考文獻(xiàn)

1 宋玉升,等譯.諾貝爾獎獲得者演講集 物理學(xué)(第二卷).北京：科學(xué)出版社，1985.167～185

2 R·L·韋伯著.諾貝爾物理學(xué)獎獲得者(第1版). 李應(yīng)剛,寧存政譯.上海：上海翻譯出版公司，1985.88～90

3 吳芝蘭，鄭欽貴編譯.諾貝爾物理學(xué)獎金獲得者(1901～1984)(第1版).福州：福建教育出版社，1983.129～131