■、W. Clark/作者
■张悦译
1932 年，两次世界大战之间的短暂过渡期。大萧条接近最低点。美国的失业率高达 25%。C. 的孩子被绑架并杀害，A. 成为第一位独自飞越大西洋的女性。伊拉克建立了自己的独立国家，F. 赢得了他参加过的四次总统选举中的第一次。美国物理学会正式成立，任命 H. Urey 为学会第一本期刊《化学物理学杂志》的创始编辑。
1932年，39岁的尤里成为哥伦比亚大学化学系副教授。这一年查德威克发现中子方程，他的研究有了一个很好的开端。新年伊始，《物理评论》发表了尤里、布里克维德（F.）和墨菲（G.）三人联名的致编辑信《一种质量为2的氢同位素》，报道了氘的发现。这是1932年四大不朽发现中的第一项。随后，中微子、正电子的发现，以及利用粒子加速器发现核衰变，这些发现立即改变了人们对原子核结构的认识，证实了反物质的存在。
六项诺贝尔奖可直接追溯到那一年的奇迹。在本文中，我们将从今天的角度回顾这些发现及其意义。
1932年之前的核物理学
1911年，卢瑟福（E.）发现原子有一个又小又重的核心，他称之为“原子核”，形似一颗微小的茶网校头条，拉丁语意为坚果仁。但在1932年，没有人能用一个准确的概念来描述它的结构。1918年，卢瑟福用α粒子（氦核）轰击氮原子，从而将氮原子转化为氧原子加上释放出来的氢原子核。他认为释放出来的氢原子核是一种新粒子，并把它命名为质子。他猜测质子就像所有原子核的构成要素，占据了它们的正电荷。
同位素的存在引起了很多混乱。它们是 F. Soddy 于 1912 年在研究铀衰变为氡时发现的。Soddy 意识到，即使化学性质相同，元素的一些变体也可能具有不同的原子质量。
次年，汤姆森（J.）通过将一束氖原子穿过磁场，成功地分离了氖同位素。1920年，卢瑟福提出，原子核的原子序数和原子质量之间的差异可能是由于原子核中存在中性粒子造成的。他认为这种中性粒子可能由一个质子和一个“核电子”组成。但在1927年海森堡（W.）不确定性原理发表后，认为核电子的假设存在被限制在比原子体积小1014倍的体积内成为一个令人费解的问题。将质量极小的电子粒子限制在这种范围内，将导致任何核电子都具有异常大的动能。
1932 年，这些问题的解决方案开始成形。氘被发现六周后，查德威克宣布发现了中子，同年 8 月，安德森宣布发现了正电子。将这些新发现与新兴的核物理科学相结合的工作进展得非常快（见 ，《今日物理学》，1972 年 5 月，第 40 页）。
氘
氘被发现 21 年后，它被用作第一颗氢弹的燃料。如今，人们希望和平利用核聚变过程来生产廉价电力，而氘是其中的核心。在现代宇宙学中，测量原始氘丰度是检测大爆炸核合成的灵敏方法（见《今日物理》，2012 年 1 月，第 11 页）。
化学家们注意到，用化学方法测得的氢原子量与用质谱法测得的氢原子量略有不同。这种差异被认为是由于氢的重同位素的存在，这种重同位素在普通水中仅占百万分之几。但使用质谱仪寻找这种假定的同位素没有成功。质量 2 通道中的信号受到 H2+ 分子的污染，消除了可能来自相同质量同位素的信号。尤里相信氢可能存在重同位素，他用他所了解的同位素图来描述他的信念，并将其贴在办公室的墙上。重新绘制的图表如图 1 所示。
图 1 1931 年氢同位素图的重新绘制，该图启发了 Yury 寻找氘。图中实心圆代表已知同位素。空心圆代表 Yury 希望发现的同位素。废弃的轴及其错误标记表明中子尚未被发现。当时，原子核被推测完全由质子组成，质子决定了原子核的质量数和足够的“核电子”来校正原子核的净电荷。因此，图的纵轴真正给出了质量数 A，横轴给出了 A 减去原子序数 Z，即中子数。
1931 年，尤里巧妙地构思了一种新的探索技术，该技术涉及原子光谱学和玻尔原子模型。很容易计算出类氢原子的能级如何随核质量而变化，从而预测其光谱特性。尤里决定寻找原子氢的发射线，其波长与预测的质量为 2 的氢同位素相对应。根据玻尔的模型，2H 的巴尔末-α 线的波长应该比 1H 的通常巴尔末-α 线（波长为 656.3 纳米）蓝移约 0.1 纳米。
问题是如何避免同位素位移线与通常的巴尔末-α线重叠，因为两者距离太近了。尤里决定制作重同位素集中的氢样本，然后用这些样本激发光谱光源中的放电。尤里是分子热力学性质方面的专家，他计算了可能的分子 1H1H、2H1H 和 3H1H（现代符号：H2、HD 和 HT [超氚]）的低温蒸气压。他预测这三种分子的蒸气压比为：1.0:0.37:0.29。然后他得出结论，可以通过制备液态氢样本并让轻同位素优先蒸发来部分分离同位素。
但是从哪里可以得到足够的液态氢呢？当时，美国只有两个地方可以定期生产液态氢。一个是加州大学伯克利分校。另一个是华盛顿特区的国家标准局（现为 NIST）。1931 年秋天，尤里获得了国家标准局低温实验室主任布里克韦德的资助（见布里克韦德，《今日物理学》，1982 年 9 月，第 34 页）。
28岁时，布里克维德已在低温实验物理领域小有名气。1931年春，他带领美国国家标准局的团队在美国首次生产出液氦。在H. Onnes于1908年在荷兰首次液化氦之后，美国花了这么长时间才生产出如此重要的物质，这似乎令人惊讶（参见D. Delft，《今日物理学》，2008年3月，第36页）。然而，我们现在所认识的低温物理学的坚实基础在当时并不存在。
对于 Urey 的项目， 用不同的蒸馏程度准备了几个液态氢样品（见图 2）。最好的样品是 4 升液态氢在接近三相点时蒸发，直到只剩下 1 毫升。各种样品通过铁路快运运往哥伦比亚（），Urey 和 在那里使用高分辨率光谱仪研究它们的发射光谱。他们发现，在预测对应于 2H 的波长处有一条谱线，其强度随着样品浓度的增加而增加。没有发现质量为 3 的氢同位素的踪迹。他们发现了重氢！
图 2. 20 世纪 30 年代中期，布里克韦德和他的妻子玛丽安 () 在国家标准局。他们中间是布里克韦德用来发现氘的实验装置。
史密森学会档案馆
发现氘后不久，尤里和美国国家标准局的电化学家E.沃什伯恩发现，用电解普通水的方法可以比较容易地分离出氘，因此生产氘不需要极低的温度。挪威吕坎的Hydro公司水力发电站很快开始了“重水”的工业化生产，1934年，该厂以每公斤500美元的价格向客户提供重水。氘在生物学、化学和核物理方面都有独特的用途。1934年，尤里因“发现氘”而获得诺贝尔化学奖。
氘的发现或许是原子理论首次用于识别一种此前未知的同位素。但它并没有明确表明假设的原子核中存在电子。尤里在同位素图上所做的标记意味着氘核由两个质子和一个核电子组成。原子核的秘密仍有待揭晓。
问题的答案很快就被找到了。就在第二个月，在英国剑桥卡文迪什实验室卢瑟福手下工作的查德威克宣布发现了中子。
中子
和氘一样，1932年发现的中子也显示出了显著的应用价值。由于中子不带电荷，实验人员很快意识到中子可以轻易穿透原子核的库仑势垒。于是它立即被用来轰击许多核样品，产生新的同位素。
六年后又迎来了一次重大高潮。1938年，当O. Hahn和F. 在柏林用中子照射铀时，他们惊讶地发现，他们可以用大约一半的铀块制造出原子核。他们发现了核裂变。
在查德威克发现中子之前，其他人也做过一些相关工作。1930年，德国吉森大学的W.博特和H.贝克尔用钋源提供的α粒子轰击铍，并用盖革计数器观察了铍的辐射。根据辐射的穿透特性，他们认为这种辐射一定是前所未有的高能伽马射线。
弗雷德里克·居里和伊万·居里很快在巴黎进行了类似的实验，以纪念伯特·贝克尔的观察。他们将含有各种轻元素的纸张放在探测器前，看到质子从纸张中喷射出来。他们在其中一个位置放了一张石蜡纸，意外地发现质子计数率大幅增加。
约里奥-居里夫妇将这一观察结果归因于蜡纸中伽马射线的一种康普顿散射。但查德威克认为这不可能，因此决定自己做实验。不幸的是，他没有好的粒子源，而节俭的卢瑟福拒绝授权购买新的粒子源。幸运的是，一位同事告诉查德威克，马里兰州巴尔的摩市 (, ) 的一家医院的地下室里藏有旧的氡安瓿。这些安瓿中的氡已衰变产生大量的钋。医院很乐意将氡安瓿捐赠给查德威克，钋就成了查德威克的阿尔法粒子来源。
图 3 中示意性地显示了 发现中子的实验装置。他确定射出的阿尔法粒子的能量为 5.7 MeV 单色。然后，根据从蜡纸中射出的质子的弹性碰撞的假定运动学，他得出结论，阿尔法粒子轰击铍靶产生的辐射只能是质量接近质子的中性粒子。他发现反应中释放的中子
9BE+4He→12C+n。
中子可能是质子和电子的简单结合吗？这一猜想已通过分子光谱法确定氮-14 原子核的自旋为 1 (
如果中子只包含一个质子和一个束缚电子，那么 14N 原子核（电荷 +7）由 14 个质子和 7 个电子组成。然而，众所周知，质子和电子的自旋都是 1/2，因此 21 个质子和电子不可能结合在一起产生 1 的净自旋。中子也必须被认为具有 1/2 的自旋。因此，根据其自身的物理特性，可以将其视为基本粒子。
查德威克于1935年因发现中子而获得诺贝尔物理学奖。第二次世界大战期间，他率领英国代表团参加曼哈顿计划，该计划的主要目的是利用核裂变来挽救自然灾害。
图 3 查德威克 1932 年发现中子的实验装置。来自钋-210 源的 5.7 MeV 阿尔法粒子撞击铍靶产生自由中子，然后自由中子与屏蔽下游质子检测系统的富氢蜡纸中的质子发生弹性碰撞。
正电子
1932 年的第三个历史性发现发生在同年 8 月，当时安德森 () 在加州理工学院密立根 (R.) 手下工作时发现了正电子。安德森使用垂直放置在磁场中的云室观察宇宙射线。他用水平铅板将云室分成两半。根据穿透铅板的宇宙射线轨迹的曲率和长度，安德森得出结论，其中有十几个在几个月内收集到的射线代表带正电的电子，并将它们称为“正电子”。在剑桥大学，布莱克特 (P.) 和奥基亚里尼 (G.) 也观察到了许多相同的现象。但安德森在 1932 年 9 月报告了他的前几次实验，这对他们来说是先发制人的举动。
从某种意义上说，保罗·狄拉克早在 1928 年就预测了正电子的存在。他的电子相对论波动方程具有负能量解，支持带正电的电子的存在。1931 年，狄拉克明确预测了这种将与普通电子湮灭的“反电子”。这是从理论原理成功预测新粒子的早期例子。事实上，在同一篇论文中，狄拉克还预测了反质子的存在，但在接下来的 24 年里，人们都没有看到它。
1936 年，安德森因发现正电子而获得诺贝尔物理学奖。他与发现宇宙射线的 V. Hess 共同获得该奖项。同年，安德森和他的研究生 S. 再次利用云室照射宇宙射线，发现了另一种新的带电粒子——μ 子。
核物理学
质子和中子虽然带不同电荷，但质量却惊人地相似。海森堡提出，可以把它们看作是二能级费米子的一种选择态，后来被称为核子。那么所有的原子核都只能由核子组成。海森堡提出了一个区分质子和中子的自由度，后来被称为“同位旋”，简称同位旋，在构造完全反对称多核系统的波函数时，应将其视为与空间和自旋坐标相等。同位旋至今仍是核物理和粒子物理的重要组成部分。
重氢原子核，也称为氘核，是一种自旋为 1、同位旋为 0 的玻色子。将核子结合在一起的强核力仅作用于 10-13 厘米量级的距离。1934 年，卢瑟福和奥利芬特用中子轰击氘核，产生了氢的第三种同位素氘。它衰变成 3He 加上一个电子，半衰期为 12 年。
目前，核反应堆中用重水生产氚，重水用于减慢反应堆的中子速度。氚将在未来的聚变反应堆中发挥关键作用。由于氚的两个中子增加了其原子核与其他附近粒子之间的吸引力，氚核（氚核）与其他轻原子核的融合比普通氢核容易得多。因此，聚变动力反应堆中预期的首选反应是
D+T→4He+n，
这也是热核武器的主要反应。
加速器
1932 年还首次使用加速器研究核反应。卡文迪什实验室的考克饶夫 (J.) 和沃尔顿 (E.) 一直在开发产生极高电压的电路。他们的设计基于一系列电容器和半导体二极管，用于将交流电整流为直流电。1932 年初，他们实现了高达 600 千伏的输出电压，并用它来加速质子。
他们使用表面有一层锂的云母片作为靶。当质子撞击锂靶时，反应
P+7Li→4He+4He。
两颗阿尔法粒子由此产生，它们飞向大致相反的方向。这些被考克饶夫称为“迅捷质子”的粒子导致锂原子核衰变。
几个月后，劳伦斯和伯克利的利文斯顿利用劳伦斯回旋加速器产生的 1.2 MeV 质子使锂、硼和氟衰变。通过用相同电压反复加速轨道上的质子，回旋加速器成为第一台无需高电压就能产生高能粒子的加速器。
锂衰变实验首次定量检验了爱因斯坦的质能关系E = mc2。由于原子核的质量已知，并且可以测量发射的α粒子的动能，因此可以验证质能关系。
随着加速器的出现，物理学研究发生了彻底的改变。劳伦斯因“发明和发展回旋加速器及其成就，特别是在人工放射性元素方面”而获得 1939 年诺贝尔物理学奖。考克饶夫和沃尔顿（图 4）因“通过人工加速原子粒子引起核衰变的开创性工作”而共同获得 1951 年诺贝尔物理学奖。
图4 考克饶夫和沃尔顿在卢瑟福两侧。（图片由英国原子能管理局和美国全国教师联合会 E. Segrè 视觉档案馆提供）
中子和氘核的应用
随着核裂变的发现，中子和重水很快被用于发展核能和核武器。费米等人的实验表明，如果将轰击目标的中子速度减慢到热速度，中子与原子核的反应将大大增强。1939年初，在估计铀裂变和钍裂变之间的差异时，玻尔意识到只有铀同位素235U才能被慢中子裂变，而铀的自然存在量不到1%（图5）。
图 5 铀 235 原子核的裂变是由入射中子引起的，中子吸收后，铀 235 原子核短暂地转变为 236U 的激发态。在这个例子中，激发态原子核分裂成快速运动的裂变产物钡-141 和氪-92，并释放出三个自由中子。
一些国家（其中一些国家是敌对国家）的物理学家立即考虑了裂变过程释放出足够多的中子以产生链式反应的可能性。1942 年 12 月，芝加哥大学的费米团队在全校高度保密的情况下实现了持续的链式反应，这一可能性戏剧性地成为现实。这是美国政府核武器研发机构曼哈顿计划的第一个重大实验成果。
费米的第一个“核反应堆”使用了 46 吨未浓缩铀和高纯度石墨砖混合来减速裂变中子。1944 年 12 月，西拉德 (L.) 提交了一份机密的美国专利申请，申请“中子反应堆”。该专利申请于 1955 年获得公开批准。
就在费米的芝加哥团队实现持续链式反应两年半后，第一枚原子弹试验装置在新墨西哥州的三位一体试验场爆炸。三位一体炸弹的裂变燃料是钚-239，由曼哈顿计划的大量铀核反应堆生产。钚弹试验后不到一个月，另一枚原子弹于 1945 年 8 月 9 日在日本长崎上空爆炸。三天前夷平日本广岛的 235U 炸弹的爆炸机制要简单得多，使用前无需测试。
以海森堡为首的德国科学家一直在寻求不同的核反应堆研究方法。他们错误地认为工业制造的石墨不可避免地会受到中子吸收剂（如用作慢化剂的硼）的严重污染。慢化剂的最佳选择是氘。当时，挪威海德鲁 (Norsk Hydro) 位于留坎 () 的工厂正在大规模生产重水。该工厂位于一座大瀑布旁边，自 20 世纪初以来一直通过电解生产氨。随着氘的发现，海德鲁意识到该工厂可以生产重水作为副产品。到 1935 年，该工厂将 99% 纯度的重水运往欧洲各国用于科学实验。当德国人在 1940 年 4 月入侵中立国挪威时，他们立即占领了该工厂，并开始将大量重水运往他们的武器实验室。
1942 年，美国和英国认为重水是德国核成就的关键组成部分。虽然重氢本身不能用于裂变弹，但核反应堆对于获取关键裂变数据和生产 239Pu 至关重要，这两者都使人们有可能将重氢作为潜在的裂变弹燃料，从而避免从天然铀中分离 235U 的巨大困难和成本。
于是盟军想要废除挪威海德鲁工厂。由于工厂半隐蔽在险峻的山脉中，很难从空中轰炸。但最终盟军的轰炸迫使德军放弃了这座工厂。为了保存手中储存的重水，德军准备通过铁路将其运往柏林。为了穿越工厂附近的一个湖泊，铁路机动车必须使用渡船来装载重水。挪威地下组织获得了这一情报，在渡船上安装了一枚炸弹。炸弹在船行驶到一半时爆炸，不仅沉没了船和货物，还夺走了14名挪威公民的生命。
二战后，美国致力于核聚变武器即氢弹的研制。这种核聚变武器的关键成分是氘和超氘。这种武器的首次试验于1952年在马绍尔群岛的埃内韦托克环礁进行。试验需要约1000升液态氘，由位于科罗拉多州博尔德的国家标准局低温实验室生产。布里克韦德为此专门开发了设备。21年前，他用几毫升重水生产了世界上第一个氘样品。
反物质的应用
正电子可以通过放射源和电子加速器大量产生。正电子现在有各种科学和实际用途。高能电子-正电子对撞机对基本粒子物理学做出了巨大贡献。同步加速器光源通常使用正电子束而不是电子束，因为正电子束会排斥麻烦的正离子束杂质。尽管正电子偶极子-电子-正电子束缚态的寿命很短，但它们是通过高分辨率激光光谱精确检查量子电动力学的重要媒介。
正电子最常见的实际应用是正电子发射断层扫描，即 PET 扫描。这种医学成像技术可帮助医生寻找肿瘤并监测活组织中的代谢活动。首先给患者注射示踪剂（一种携带正电子发射同位素的特定生物分子）。然后，放射科医生通过确定正电子-电子湮灭发生的位置来寻找该分子在患者体内的积累情况。衰变的正电子迅速静止并在发射分子附近湮灭查德威克发现中子方程，产生一对伽马射线光子（通常为 511 keV），它们朝相反方向飞行。正电子发射的位置可以通过这对光子的位置和到达时间来确定，这些位置和时间由放置在患者周围的探测器阵列记录。该技术如图 6 所示。
图 6 受试者头部的正电子发射断层扫描 (PET 扫描)。头部平面周围的伽马射线探测器阵列描绘了注入受试者体内的携带放射性正电子发射示踪剂的分子的积累情况。衰变的正电子 (e+) 立即与附近的电子湮灭，产生一对共线的 511 keV 光子 (γ)，其沿共同飞行路径的精确起源由它们到达探测器阵列两端之间的亚纳秒时间差决定。
正电子发射示踪剂是通过用来自本地回旋加速器的质子照射元素而制成的。然后，放射性元素被合成为生物材料。常见的示踪剂由葡萄糖和放射性同位素碳-11制成，碳-11的半衰期为 20 分钟。
不同的示踪剂用于探测不同的器官。PET 扫描的主要应用之一是检测脑癌。研究人员还使用示踪剂在各种环境下研究健康大脑不同部位的代谢活动。
后记
去年夏天，在一次家庭聚会上，克拉克和他叔叔——一位退休的机械工程教授——谈论了 1932 年的重大发现。他的叔叔不知道他出生在发现中子的几年前。他与 1932 年那个非凡而神奇的年份的联系仍然历历在目。
关于作者：是马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的光谱学家。克拉克也是一名光谱学家，他是 NIST 和马里兰大学帕克分校联合量子研究所的主任。
（译自 W. Clark 2013 年第 66 期（3），第 44-49 页）