正电子的发现

简

卡尔·大卫·安德森 （1905-1991），瑞典裔美国物理学家，因发现正电子，获得1936年诺贝尔物理学奖。

安德森的整个学术生涯，都是在美国加州理工学院度过的，与赵忠尧是密立根同期的学生。安德森1927年获得学士学位，1930年获得博士学位，1930-1933留校当研究员，1933年担任物理学助教，1939年担任物理学教授，直至1978年退休。

安德森早期的研究领域是射线，他的博士论文研究了射线使各种气体放出的光电子在空间的分布情况。获得博士学位后，在密立根教授的指导下，安德森开始研究宇宙射线与基本粒子方面的工作。

由微粒构成的宇宙射线，肉眼是看不见射线。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威耳逊云室是一种常用的射线探测装置。对于该装置，物理人教版高中选择性必修第三册（新课标）是这样介绍的：云室内部设计有可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它观察粒子运动的径迹。云室里面有干净的空气，实验时先往云室里加少量酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后迅速向下拉动活塞，室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态。这时，如果有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心，凝结成雾滴，于是显示出射线的径迹。这种云室是英国物理学家威耳逊在1912年发明的，叫威耳逊云室。

如图甲和乙是射线和线在云室中的径迹。粒子的质量较大，在气体中飞行时不易改变方向。同时粒子的电离本领也大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而清晰。高速粒子径迹又细又直，低速粒子的径迹又短又粗，而且是弯的。粒子的电离本领很小，在云室中一般看不到它的径迹。

根据径迹的长短和粗细可以知道粒子的性质；把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带电荷的正负。

安德森通过拍摄宇宙射线穿过云室的照片来研究宇宙射线。安德森在云室中加入了一块厚6mm的铅板，让宇宙射线通过撞击铅板以减慢速度，然后拍摄照片。等这些照片洗出来，有一张吸引了他的注意。这张照片显示，宇宙射线穿过铅板之后，轨迹发生了弯曲，有一个未知粒子的轨迹和电子的轨迹完全相同，但是弯曲的方向却恰好相反。通过进一步的分析，他确定了这个粒子的电荷为正，质量与电子相等。于是，安德森认为这是一种带正电的电子。第二年，安德森又用射线轰击的方法产生了正电子，从而在实验上完全证实了正电子的存在。这一发现不仅证实了宇宙射线中存在带电粒子，而且揭示了宇宙射线的一个基本组成部分——正电子，这对于理解宇宙射线的组成和来源具有重要意义。安德森在云室中加入了一块厚6mm的铅板，让宇宙射线通过撞击铅板以减慢速度，然后拍摄照片。等这些照片洗出来，有一张吸引了他的注意。这张照片显示，宇宙射线穿过铅板之后，轨迹发生了弯曲，有一个未知粒子的轨迹和电子的轨迹完全相同，但是弯曲的方向却恰好相反。通过进一步的分析，他确定了这个粒子的电荷为正，质量与电子相等。于是，安德森认为这是一种带正电的电子。第二年，安德森又用射线轰击的方法产生了正电子，从而在实验上完全证实了正电子的存在。这一发现不仅证实了宇宙射线中存在带电粒子，而且揭示了宇宙射线的一个基本组成部分——正电子，这对于理解宇宙射线的组成和来源具有重要意义。

然而实际上，安德森并不是观察到正电子的第一人！物理人教版高中选择性必修第三册（新课标）提到了这件事。

赵忠尧当年发现硬射线通过重元素时，吸收系数比理论公式的结果大了约40%，伴随着这种反常吸收，还存在着一种特殊辐射，能量大约对应于一个电子的，且它的角分布大致为各向同性，即“额外散射”现象。

事实上，当赵忠尧实验结果出来的时候，安德森就在他隔壁的办公室里。1932年，同为密立根学生的安德森，受赵忠尧实验结果的启发，在云室中观测到了正电子径迹，并以此成果获得1936年诺贝尔物理学奖。几个月后，布莱克特和奥克里尼又发现了更多的正电子，并对正负电子对产生（“反常吸收”）与湮灭（“特殊辐射”）机制做出了解释，布莱克特后来获得1948年诺贝尔物理学奖。

安德森因为正电子获奖后，人们才意识到，当初赵忠尧观察到的特殊辐射和反常吸收，是人类历史上第一次观测到了直接由反物质产生和“湮灭”所造成的现象。如果正物质和反物质互相碰撞，就会产生“湮灭”反应，两者迅速消失，变成了光子，这种光子与原先的“射线”不同，它是一种没有方向的、被“软”化了的“”射线。光子束的能量比原来小了，赵忠尧测出这种“软”射线光子的质量恰好是电子的静止质量。

约里奥·居里夫妇，也称小居里夫妇，这两个人是著名科学家皮埃尔·居里夫妇的女婿与女儿，也是我国著名的核物理专家钱三强、何泽慧夫妇的导师。当时安德森发现正电子的消息传到约里奥·居里夫妇那里时，他们觉得这正电子的轨迹图怎么那么眼熟呢？于是他们立刻翻出之前拍摄的各种云室里的图片，发现他们老早就得到了正电子的轨迹图。然而当时他们并没有认真深究这一奇特的现象，而是错误地把正电子理解为向放射源回流的电子。

赵忠尧和约里奥居里夫妇，就这样遗憾地错过了发现正电子获得诺贝尔奖的机会！正电子的发现是物理学史上的一个重要里程碑，它证明了反物质的存在，为后续的反物质研究奠定了基础。