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王淦昌与中微子的早期研究

2013-03-01

但在玻尔的哥本哈根研究所中,人们立即重复并摒弃了香克兰的实验。玻尔本人也在《自然》上发表《量子理论中的守恒定律》明确指出:“人们可能注意到,关于β射线现象的迅速增加的实验证据,同在费米理论中得以显著发展的泡利中微子假说的推断之间有一种使人得到启发的一致,这在很大程度上排除了在来自原子核的β射线放射问题上严重怀疑守恒定律的严格有效性的根据。”[(13)]

香克兰的实验虽然被摒弃,但狄拉克等人的诘难使得长期困扰物理学家们的一个最棘手的问题--即验证中微子的存在,更为急迫。王淦昌一针见血地指出:“保里(即泡利--笔者注)之假说,与范密(即费米--笔者注)之理论,固属甚佳。然若无实验证明中微子之存在,则两氏之工作,直似空中楼阁,毫无价值,而β放射之困难仍未解决。”[(14)]

因此,从1934年之后,关于中微子的许多理论和实验都围绕着一个中心问题--即如何验证中微子的存在。现在,我们知道,这是一个漫长而艰难的历史过程。在当时条件下,要验证中微子--这种鬼魂粒子是极其困难的。

1936年美国物理学家莱彭斯基(Leipunski)做了第一个测量β衰变中原子核反冲的实验。

1938年至1939年,美国物理学家克兰(Crane)和赫尔彭(Halpern)先后做了实验,对过程:

Cl[38]→A[38]+e+υ中的反冲效应进行研究,他们观察了电子在磁场中的偏转和原子核在云雾室中的射程。

但这些实验都没有测出反冲振动的动量,因此都没能确凿地证实中微子存在。

王淦昌充分认识到实验检验中微子的重大意义,并一直关注着这方面的进展,不断地进行探索。王淦昌于1934年4月回国,先在山东大学任教,1936年又受聘到浙江大学物理系任教授。不久抗日战争爆发。从1937年9月到1940年2月,王淦昌与浙大师生一起走建德、过吉安、赴宜山、抵遵义。由于连年跋涉流离,劳累过度,加上营养不良,生活困难,抵达遵义时,他患上了肺结核。但他躺在病榻上,仍以惊人的毅力对中微子问题苦苦思索。

1992年元月,王淦昌回忆他发现K俘获验证中微子的经过时说:“1940年初,到了贵州遵义,虽然各方面条件无法和杭州时的浙大相比,但总算有了一个比较安定的数学和研究环境。我集中阅读了近几年有关中微子问题的论文,看到不少物理学家做过这方面的实验,其中有一个实验引起了我的注意,就是1939年克兰和赫尔彭对过程

Cl[38]→A[38]+e+υ中的反冲效应的研究。他用一个云室测量Cl[38]放射出的β射线及反冲原子核的动量和能量,获得了中微子存在的证据,可是,反冲原子核的电离效应很小。我认为他们的方法不是最好。普通β衰变的末态有三体,三种东西分不清楚,很难测出中微子,需要另外的方法来探测中微子。经过反复思考,我想到用K电子俘获的方法探测中微子。”[(15)]

王淦昌将他的验证中微子存在的简单方法写成论文《关于探测中微子的一个建议》[(16)],于1941年10月13日寄到美国《物理评论》,并在1942年1月发表。

王淦昌在这篇论文中抓住了两个关键问题。

第一提出K俘获的办法来探测中微子的存在。他指出:

“当一个β[+]类的放射元素,不是放射一个正电子,而是俘获一个K层电子时,反应后的元素的反冲能量和动量仅仅依赖于所放射的中微子……。”

这里王淦昌论述的核心,就是把普通β衰变末态的三体变为K俘获的二体,这就使中微子的探测有了实际的可能。

第二,是对放射源的选择,他建议用铍Be[7]的K电子俘获过程去探测中微子的存在。Be[7]的核衰变是特别有意义的。它是最轻元素的放射性同位素中的一个,核的质量愈轻,则它所经受的反冲作用也应该越显著;另外,实验证明,Be[7]衰变为Li[7]时,既不产生γ射线,也不产生正电子,即Be[7]的核都是以K俘获的方式衰变的。这些特点在有关核的反冲作用实验的实现上,起着重大的作用。显然,王淦昌选用Be[7],其意义不仅仅是技术上和细节上的更动,它把前期核反冲实验推进到“反冲动量存在”的肯定性结论。