我國核物理學家何澤慧的學術成長歷程——紀念何澤慧先生誕辰100周年

汪志榮 彭 潔

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000）

何澤慧（1914—2011），山西靈石人，出生于江蘇蘇州.母親王季山出生于科學世家，其家族極為重視女性教育.父親何澄也是書香門第出身，曾東渡日本留學.何澤慧早年畢業(yè)于清華大學物理系，大學畢業(yè)后赴德國柏林高等工業(yè)大學學習，獲工程博士學位.1943-1948年，她先后在海德堡皇家學院核物理研究所和法蘭西學院原子核化學研究室從事原子核物理研究，合作發(fā)現了鈾裂變的三分裂、四分裂現象，在國際學術界產生了重要的影響.1948年，何澤慧與其丈夫錢三強一起回國工作.她先后任職于北平研究院原子學研究所、中科院近代物理研究所、原子能研究所和高能物理研究所.何澤慧對我國原子能事業(yè)的發(fā)展做出了極其重要的貢獻，并且為國家培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的原子核物理專業(yè)人才，她對于物理學的熱愛及其科研精神始終激勵著一代代年輕人.

1 早年求學經歷

何澤慧從6歲開始進入蘇州振華女子學校讀書，在該校完成了中小學階段的學習.振華女校是其外祖母王謝長達創(chuàng)辦，何澤慧的姨媽王季玉從美國留學回來后時任校長.學校注重引進西方現代課程，對學生的學習要求高于當時一般的公立學校和教會學校，尤其重視英語和理科教學，數理化均使用英文教材.這種教育為她后來的理科學習打下了堅實的基礎.

1932年，何澤慧以優(yōu)異的成績考入清華大學物理系.該系成立于1926年，1930年代名師云集.我國近代物理學的奠基人葉企孫擔任系主任，吳有訓、周培源、薩本棟等一批我國老一輩著名物理學家都在此任教.當時，葉企孫先生認為女生學習物理比較困難，對于考入物理系的女生通常勸其轉系.何澤慧據理力爭，要求留在物理系就讀，用何先生自己的話說，“你越不讓我來，我越要來.”［1］因為喜歡物理，隨后她不僅憑借頑強的毅力堅持了下來，并最終在這屆10名畢業(yè)生中以第一名的成績畢業(yè).這種不畏困難、堅持不懈的精神，也成為她后來從事科學研究的主要特點之一.

圖1

在清華大學物理系，周培源先生是何澤慧的力學啟蒙教師，對她影響很大.周先生雖然是一位理論物理學家，但他以開闊的胸懷鼓勵弟子們要向廣闊的實驗物理和應用物理方向發(fā)展.我國光學奠基人王大珩曾回憶說，“周老師指出，應當把改變我國落后的面貌作為我們的責任，我們要救國有多少事情要做?。∫蜒酃夥砰_，不要認為必須緊緊圈在純粹物理的小范圍內.”何澤慧自己也說過：“周先生為了培養(yǎng)學生的物理應用于捍衛(wèi)祖國的意識，開了“彈道學”這門課程，這使我畢業(yè)后到德國柏林高等工業(yè)大學從師于彈道學權威Cranz教授，做了有關彈道學的博士論文；”另外，“周老一貫主張理論必須有實驗的證明，理論可以指導實驗，但做實驗的必須有新的發(fā)現，不只是要等待理論家來叫你去做什么才去做什么.”［2］

在清華大學，何澤慧的畢業(yè)論文選題也是一項有關物理實驗的應用性研究——《實驗室用電流穩(wěn)壓器》.由于當時沒有成品穩(wěn)壓器，也無相關配件，她自己動手制作器材，組裝零件，設計電路，最終經過反復實驗之后獲得了成功.［3］40年代，她轉向核物理研究，也正因為當時原子能研究日益顯示出巨大的應用前景.

2 留學期間的科學發(fā)現

1936年，何澤慧從清華大學畢業(yè).當時我國正遭受日本侵略，同批從清華物理系畢業(yè)的學生中，一些男生在教師的推薦下，進入南京軍工署彈道研究所工作，但是何澤慧的去向再次由于性別的緣故而受到挫折.這一年，她因受山西省政府的資助，獲得了出國留學的機會.隨后，何澤慧遠赴德國柏林高等工業(yè)大學技術物理系學習.該系與德國軍工業(yè)關系密切，保密程度很高，一般不接受外國學生.為了能夠在那里學習彈道專業(yè)，何澤慧向當時的系主任克蘭茨（C.Cranz）教授提出了申請.克蘭茨是德國著名的數學家、物理學家，他是現代彈道學的開創(chuàng)者，曾擔任南京軍工署顧問.最初，對于這位中國女學生關于在該系軍工類專業(yè)就讀的請求，他并沒有答應，隨后因被何澤慧的愛國精神所打動，還是破例接收了她.［4］1940年，何澤慧以題為《精確測量子彈飛行速度的新方法》的研究論文，獲得該校工程博士學位.

二戰(zhàn)爆發(fā)后，何澤慧被迫滯留在德國，當時戰(zhàn)爭并沒有影響她繼續(xù)潛心學習德國先進技術.她曾在柏林西門子公司弱電流實驗室研究磁性材料.1943年，經人介紹又進入位于海德堡的威廉皇家學院核物理研究所工作.在這期間，何澤慧跟隨博特（W.Bothe）教授開始從事原子核物理的實驗研究.博特教授是德國一流的核物理學家，后來因為提出“符合法”及運用該方法做出的科學發(fā)現，獲得1954年諾貝爾物理學獎.何澤慧在那里主要利用磁云室研究正負電子的碰撞現象.在她之前，人們在研究電子碰撞時沒有外加磁場，當電子之間的能量交換A＝時（E-表示反沖電子的能量表示碰撞前正電子的能量），正電子碰撞后的軌跡與反沖電子的軌跡在照片上難以分辨.何澤慧關于電子碰撞的研究是在云室中進行的，由于云室中磁場會使正負電子偏轉相異，容易分辨出這兩種粒子的運行軌跡.1945年，她在研究錳-52的正電子能譜時，從上千張正負電子碰撞的照片中發(fā)現了一種近似于S形狀的奇特徑跡，并結合理論分析最終弄清了這種徑跡的實質是正負電子發(fā)生彈性碰撞的過程.［4］此外，她經過對實驗數據的分析處理，還得到了關于碰撞數和能量交換的實驗曲線，該曲線與印度理論物理學家巴巴（H.J.Bhabha）和瓦爾特·博特（W.Bothe）的理論曲線也較為吻合.［5］1945年9月，英法宇宙線會議在英國布列斯托爾召開，何澤慧的正負電子彈性碰撞照片在這次國際會議上展示之后，他的發(fā)現被《Nature》雜志稱之為“科學珍聞”.

何澤慧在留學期間的另一項重要發(fā)現是關于鈾核裂變的三分裂變、四分裂變現象.1946年春天，何澤慧和錢三強在法國結為科學伴侶，當時錢三強在約里奧·居里夫婦的指導下從事核物理研究.婚后，他們開始一起在居里實驗室研究重核裂變.同年7月，在劍橋大學舉行的國際基本粒子與低溫會議上，卡文迪什實驗室的兩位青年學者——格林（L.L.Green）和李弗（D.L.Livesey）展示了一張利用核乳膠研究原子核裂變的照片.（核乳膠也是一種探測器，與云室類似）這張照片顯示了在鈾核發(fā)生二分裂的位置伴有一根長的徑跡，像是α粒子，他們對此并沒有解釋.當時，出席會議的錢三強注意到了這個問題，回到巴黎之后，他立即與何澤慧以及兩位研究生助手開始加以研究.他們利用照相技術，先把含銀量特別大的照相板浸泡在硝酸鈾溶液中，幾分鐘后取出，又浸泡到酒精中，接著用氣流把照相板吹干，用黑紙包好，然后再將它放在回旋加速器旁接受慢中子的照射，由此得到觀察照片.通過觀察這些照片，他們發(fā)現，鈾核裂變的絕大部分徑跡都是一條直線，即裂變?yōu)閮蓚€碎片反向射出，不過有極少數徑跡出現了三叉形狀［見圖3（A）、（B）、（C）、（D）］，隨后在對這些現象進行仔細分析之后確定，這是由于鈾核裂變成3個帶電碎片的結果.［6］1946年12月，他們在法國科學院周刊上公布了這一研究結果和照片，由此證實了鈾核三分裂現象的存在.據錢三強后來回憶，“初次試驗，他們就觀察到了大量的裂變徑跡，也在其中找到一些三叉形狀的裂變徑跡.兩個法國青年耐心不夠，找到的較少.而何澤慧參加之后，由于她的細致和耐心，孜孜以求，不放過任何一條徑跡，結果是她找到的最多”.［4］

圖2

圖3

鈾核四分裂現象是由何澤慧首先發(fā)現的.由動量守恒可以證明，同一點的裂變碎片與原子核碰撞兩次的可能性不大，所以何澤慧設想，自己發(fā)現的四叉形狀的裂變徑跡即是鈾核裂變成4個帶電碎片.她還經過計算得出四分裂變的平均動能約為100MeV，這一實驗數據與理論預測也符合得較好.何澤慧先后觀察到2種四分裂現象：一種是4個碎片都是重粒子（M＞20）［見圖3（E）］；另一種則有3個碎片是重粒子，另外1個碎片是輕粒子［見圖3（F）］.鈾核四分裂現象發(fā)生的概率十分小，裂變的頻率（即四分裂變數與二分裂變數之比）大約為0.0002±0.00015.［6］據錢三強的秘書葛能全講述：“一般在300次裂變當中，有可能出現一次三分裂.至于四分裂現象，上萬次裂變當中可能出現3例.”［1］1946年12月23日，約里奧·居里先生在法國巴黎召開的一次國際科學會議上報告了鈾核四分裂的實驗證據，并且稱贊，這是“第二次世界大戰(zhàn)以后物理學上的一項有意義的工作”.［3］這一成果后來以何澤慧為第一作者發(fā)表于法國科學院周刊.

自1938年核裂變現象發(fā)現之后，玻爾（Bohr）和惠瑟（Wheeler）曾從動力學的角度推斷出三分裂和四分裂現象存在的可能性，但在這之前一直沒有被發(fā)現.［6］何澤慧與錢三強等人關于鈾核裂變的三分裂、四分裂現象的發(fā)現，深化了人們對原子核裂變現象的認識.

3 回國后的重要貢獻

科學沒有國界，但科學家有祖國.1948年5月，何澤慧與錢三強毅然決定回國工作.新中國成立后，他們開始參與籌建近代物理研究所.當時，儀器設備嚴重缺乏，何澤慧和錢三強夫婦便跑遍大街小巷，尋找器材和元件，并自己動手制作實驗儀器.1950年5月19日，新中國第一個核科學研究機構——中國科學院近代物理研究所成立（1958年改為原子能研究所），何澤慧時任乳膠組組長.

核乳膠是研究原子核物理的重要探測器，它具有輕便、靈敏、空間分辨本領強等優(yōu)點，能將粒子徑跡永久保存.何澤慧認為，我國要發(fā)展原子能事業(yè)，制造原子核乳膠是一項必須開展的工作.當時蘇聯(lián)、英國、美國等國家都已經制成了核乳膠，但制作過程沒有發(fā)表.所以，她便在近代物理研究所組織人員對核乳膠的制備過程進行研究.他們以乳膠中一定區(qū)域內帶電粒子的顆粒密度作為靈敏度的指標，開展了一系列的對比研究，1956年即制成了與英國伊爾福C-2水平相當的原子核乳膠核-2和核-3（圖4）.［7］盡管如此，何澤慧并沒有停下研究核乳膠的腳步.她根據照相乳膠增感理論和蘇聯(lián)科學家的經驗，后來成功制出了靈敏度接近于前蘇聯(lián)湼克菲P和英國依爾福G5的乳膠核-4，1958年又通過進一步改進實驗，研制出膠靈敏度接近于前蘇聯(lián)鐳學研究所研制的Πp型核乳膠核-5，從而超過了英國伊爾福G5水平.［8］何澤慧在1950年代研制出核乳膠，使我國成為當時少數能生產核乳膠的國家.隨后，她帶領研究人員不斷提高核乳膠的靈敏度，研制出具有世界先進水平的核乳膠，為我國核物理、粒子物理和宇宙線方面的研究提供了重要工具，同時也推動了我國醫(yī)學、生物學等領域的相關應用研究.

圖4

1955年，我國決定大力發(fā)展原子能事業(yè).當時中央政府與蘇聯(lián)達成了幫助我國發(fā)展原子能研究的有關協(xié)議，根據協(xié)議，蘇聯(lián)將接受我國科研人員赴蘇考察實習.同年10月，中國科學院派出“熱工實習團”赴蘇聯(lián)科學院熱工研究所學習，主要考察重水反應堆與回旋加速器的相關技術.何澤慧參加了這次考察，并負責考察與反應堆和加速器相關的核物理實驗.從蘇聯(lián)回國后，何澤慧便開始進行中子物理的研究.在原子核反應堆中，中子源起著決定性的作用.當時，她認識到中子標準的重要性，因此提出要組織專門人員建立中子源強度和中子通量的標準（中子通量是指在單位時間內通過單位面積上的中子數，是衡量反應堆的一個重要指標）.幾年后，我國便建立了自己的中子標準.在我國原子彈的研制任務中，由于種種原因，何澤慧并沒有進入研究工作的第一線，但她為國家輸送了一大批專門人才，并且完成了一項核武器研制所需的數據測量工作.［3］她所開展的中子物理實驗研究，為我國核武器的研制做出了重要貢獻.

另外，何澤慧以國家需要為己任，還不斷探索新的研究方向.1973年，中科院高能物理研究所成立，何澤慧擔任研究所副所長.這一時期，她開始開展宇宙線超高能物理和宇宙線高能天體物理的研究.在她的倡導與扶持下，該研究所宇宙線研究室在西藏干巴拉山建成了世界上海拔最高的高山乳膠室，她還領導建立了我國高空氣球探測技術、空間硬X射線探測技術以及其他配套技術，并培養(yǎng)了一批高能天體物理研究人才.［3］

4 結語

何澤慧在原子核物理實驗研究領域取得了重要學術成就，為我國原子能事業(yè)的發(fā)展也做出了重要貢獻.她始終以求真務實、科學嚴謹的態(tài)度去開展研究工作，并把創(chuàng)新精神放在第一位.即使離開了科研崗位，何澤慧也依然保持著嚴謹的工作作風.文革期間，她被下放到陜西合陽的“五七干?！鼻苗?，每次敲鐘非常準時，分秒不差，她還自制簡單儀器，觀測并記錄了一顆彗星的運動軌跡.［4］正如其所說，“科學家之所以能在簡陋的儀器上，通過常規(guī)的工作，發(fā)現新奇現象，關鍵在于目光敏銳以及扎扎實實、一絲不茍的工作態(tài)度.立足常規(guī)，著眼新奇，在可靠的實驗結果基礎上，不放過任何一個新奇的現象.”［9］

從清華大學到法蘭西學院原子核化學研究室，何澤慧在學術成長的道路上得到了多位著名物理學家的指導和幫助，具備扎實的物理理論知識，同時也形成了很強的實驗研究能力；從早年險些被清華物理系勸退到一生投身于物理學研究，她通過艱苦探索，不斷創(chuàng)新，不僅在原子核物理領域取得了重要的研究成果，同時也為核物理和高能物理研究在中國扎根發(fā)芽做出了重要貢獻.何澤慧既繼承了其家族男女平等的思想，也具有居里夫人淡泊名利、獻身科學的精神，另外作為新中國第一代女性核物理學家，她嚴謹治學、求實創(chuàng)新的科研作風以及以國家需要為己任的愛國情懷，都給我們留下了深刻的印象，特撰寫本文表達對何澤慧先生的崇高敬意.

1 中國的居里夫人——何澤慧［J］.百年潮，2007（7）：5-8.

2 彭恒武，何澤慧，王大珩.緬懷周培源老師［J］.物理，1994（3）：188-190.

3 趙洪明.我國第一代女核物理學家——何澤慧［J］.現代物理知識，2009（6）：47，49，50，51.

4 劉曉.卷舒開合任天真——何澤慧［M］.北京：中國科學技術出版社，2013：5，88，100，185.

5 何澤慧.正電子與電子的彈性在碰撞［A］.戴念祖，主編.20世紀上半葉中國物理學論文集粹［C］.湖南：湖南教育出版社，1993：931.

6 錢三強，何澤慧.鈾裂變的新方式：三分裂變和四分裂變［A］.戴念祖，主編.20世紀上半葉中國物理學論文集粹［C］.湖南：湖南教育出版社，1993：897-900，906-910.

7 何澤慧，陸祖蔭，孫漢城.研究工作簡報 自制原子核乳膠的特性［J］.科學通報，1957（1）：43-45.

8 孫漢城，劉慧長，荷澤慧.研究工作簡報 自制以對電子靈敏的原子核乳膠的特性［J］.科學通報，1958（3）：151-153.

9 何澤慧.立足常規(guī)，著眼新奇［N］.科學報，1981-06-04.