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| 中外科学家发明家丛书：伽莫夫 （三） | 发布于:2012/07/28 | |
| 三、留学 格廷根是一座拥有一所古老而著名的大学的迷人小城。在当时的理论物 理学界，它可以和哥本哈根相提并论。城里到处都可以听到人们在兴奋地谈 论波动力学和矩阵力学，这两项理论都是在伽莫夫到达这里前两年才问世 的。不管是讨论室还是咖啡馆，总是挤满了物理学家，有老有少，他们对量 子理论的这些新发展会在人们认识原子和分子结构方面产生什么后果争论不 休。不过，伽莫夫并没有被这一狂热的漩涡所吞没。一个原因是从事这一研 究的人实在太多，而他却总喜欢独辟蹊径；另一个原因是但凡新理论在出现 之初，其形成几乎总是非常简单，但仅在几年之内，它便往往会成为极其复 杂的数学结构。 因此，当全世界的量子物理学家们在向原子和分子进攻时，伽莫夫则决 定，弄清新的量子理论在原子核方面能起什么作用。 他去大学图书馆仔细翻阅有关实验原子核物理学的最新文献，以此开始 他的研究。去图书馆的第一天，他就被卢瑟福的一篇文章迷住了。卢瑟福在 这篇文章中描述了α粒子在铀中的散射现象实验，他使用钋的同位素Rac′ 所发射的极快的α粒子，发现与他著名的散射公式没有偏差。这就表明，阻-12 止α粒子穿入原子核的库斥力至少在距原子核中心3×10厘米处还在起 作用。这个发现与铀本身是个放射性元素，并且它发出的α粒子的能量约为 Rac′的α粒子的能量的一半这一事实直接发生矛盾，这是什么原因呢？α粒 子长时间停留在铀原子核里的事实表明，在铀的情况下，库仑斥力在短于3.2 -12 ×10厘米的距离内变成了吸引力，由此形成一个既阻止入射粒子进入原子 核，又抑制核内α粒子向外射出的势垒。入射的高能粒子不能从外面越过势 垒，而与此同时，能量只有入射粒子的一半的内部α粒子却能发射出去（尽 管有时要经过很长时间），这又是为什么呢？ 为了解释这个似是而非的状况，卢瑟福在文章中提出一种假设，即每个 α粒子在离开原子核时携带两个电子以中和它的正电荷，并使库仑斥力不起 作用。当这个被中和了的α粒子越过边沿时，那两个电子立即与它分离而返 回原子核。就像两只拖船把远洋轮从码头拖到大海后就离开它那样。这个解 释对伽莫夫没有丝毫吸引力，他合上杂志，顿时悟出这究竟是怎么一回事。 这是一种不可能用经典的牛顿力学加以解释的典型现象，但它可以指望用新 问世的波动力学来解释。在波动力学理论里，不存在不能穿透的势垒，正像 英国物理学家R·H·否勒在听了伽莫夫就这一问题的演讲后指出的那样：“这 间房间的任何人都有一定的机会不用开门便离开房间，当然这不是指把他从 窗户扔出去。” 物质粒子的运动由所谓领波所支配。在物质粒子能够毫无困难地运动的 空间内，这些波也能自由传播，并且缓慢地“渗漏”进根据牛顿力学物质粒 子完全不能进入的区域。而只要领波得以穿过这个区域 （哪怕是要克服某些 困难），就总是带着一个粒子和它一起通过。 从图书馆回到房间，伽莫夫拿出铅笔和纸，写下一个这类波动力学穿透 几率的简单公式。从而为这类问题取得一个简单而圆满的解答。 势垒理论不仅撇开了卢瑟福有关α粒子轰击铀的自相矛盾的结果，同时 也解释了不同的放射性物质所发射的α粒子能量与它们的平均半衰期之间的 神秘关系。这一众所周知的关系式称作盖革—努塔耳定律，是由盖革和努塔耳在1911年提出的。他们注意到，发射出的α粒子的能量越高，发射它们的 放射性物质的寿命越短。他们用对数坐标绘出不同放射性元素平均半衰期与 它们的α粒子能量间的反比关系，得到的几乎是一条直线，从铀元素的α粒 子能量仅为4.1兆电子伏，平均半衰期为45亿年，直到Rac′的α粒子能量 为7.7兆电子伏，平均半衰期只有0.0002秒。而伽莫夫根据波动力学理论计 算得到的曲线，与他们曲线上的实验点恰恰相吻合。 随着科学研究速度的不断加快以及进行科研探索的人数的迅速增加，几 个人或几个科研小组同时独立作出同一重要发现的情况越来越常见。伽莫夫 所得到的上述放射性元素衰变的著名理论也同样遇到了这种情况。就在几乎 同时，罗纳德·格尼和爱德华·康登这两位物理学家也同时构想出了相同的 理论。但是，他们三人谁也没有因此获得诺贝尔奖。 可是夏季学习班马上就要结束了，伽莫夫必须返回列宁格勒了。不过在 归途中，伽莫夫想在哥本哈根停留一天，去拜访那位几乎是传奇人物的著名 物理学家——尼尔斯·玻尔。 到达哥本哈根的当天，他就到布莱格登斯维奇的理论物理研究所拜会玻 尔。在玻尔那里他得到一份意外的收获。当玻尔问他目前正在从事的研究项 目时，他把他的有关放射性α衰变的量子理论讲了一遍。玻尔很有兴趣地听 着，然后说道：“秘书告诉我，你的钱只够在这里住一天。如果我为你在丹 麦皇家科学院申请一份卡尔斯堡研究基金，你愿不愿意在这儿呆一年？”伽 莫夫惊喜万分，当下就答应了。 在玻尔的研究所工作是非常自由的，上午想多晚来就多晚来，夜间想多 晚走就多晚走。他可以按自己的志趣工作。于是他继续研究势垒理论，把自 发的α衰变的情况颠倒过来考虑，计算α粒子从外部轰击原子核并进入原子 核内部的几率。他的计算结果与卢瑟福的一项实验完全吻合，在这项实验中， 卢瑟福通过用快速粒子去撞击轻元素的原子核，把原子核击碎了。 玻尔希望伽莫夫去英国，把计算结果拿给卢瑟福看看。不过玻尔告诫他 说，他向卢瑟福介绍原子核嬗变的量子理论时必须十分小心，因为这位老头 一点也不喜欢标新立异，他有句口头禅：一个理论只有简单到连酒巴间招待 也能明白，那才是好理论。要做到这一点是困难的。在上边提到过的卢瑟福 那篇Rac′的α粒子穿入铀原子核的论文末尾，卢瑟福对那种自相矛盾的现 象提出了一种经典解释。它以下述设想为基础：α粒子在穿出原子核的库仑 场时，有一段路途是不携带电荷的。在发现中子以前的许多年里，卢瑟福一 直相信有不带电的质子（即中子）存在，所以他极力在实验室搜寻这种粒子， 但是中子却迟迟不肯出现。直到1932年，查德威克才在与居里夫妇共同进行 的一系列实验的基础上，最终证实了中子的存在。为了沿着经典理论的思路 来解释铀的衰变，卢瑟福想象一个α粒子在其发射的初期含有4个电中性的 质子 （即中子聚合物），因而不受原子核电荷的影响。卢瑟福相信，在距原 子核表面的特定距离内会有两个电子伴随着α粒子，就像两只拖轮将一艘大 船拉出狭窄的港口，一旦把船拖出，它们就与大船脱钩，返回码头，而大船 便靠自己的动力继续前进。虽然这是一个聪明的设想，但可惜它被新诞生的 波动力学否定掉了。而伽莫夫代表了新一代的科学力量，他们必将老一代的 理论抛在身后。 在英国，伽莫夫给卢瑟福带去了两套精心绘制的实验曲线图，它们代表 卢瑟福最近用不同放射性元素的α粒子轰击轻原子核而产生的人工嬗变的实验结果。第一套图表明，对于一种指定的被轰击原子核，质子的产生数量随 着入射粒子能量的增大而迅速增加。第二套曲线图则表明，当入射α粒子的 能量不变时，质子的产生数量随着被轰击元素原子序数的增大而迅速减少， 在超过铝以后几乎等于零。通过各个实验点伸展出两条理论曲线，一条上升， 一条下降，这是伽莫夫初到哥本哈根的几个月中，根据单纯的α粒子波穿透 轻元素原子核周围的势垒的波动力学理论计算出来的。 由于卢瑟福本人也开始否定两条拖船的设想——它们在水中会分开得太 远，以致不可能与大船会合并把它拖回港口，这样，伽莫夫的曲线图便起了 作用，他被卢瑟福接纳了。 在由英国返回哥本哈根的时候，他收到当时在柏林大学工作的弗里茨·郝 脱曼斯的一封信，郝脱曼斯陈述了一个关于太阳和其他恒星释放核能的可能 性的非常有趣的设想。他根据爱丁顿研究的结果推测了恒星中心区域的温度 和密度。他想知道原子核之间剧烈的热碰撞是否能产生足够的能量以维持恒 星表面的辐射。他认定伽莫夫的关于轻元素人工嬗变的波动力学理论能够从 纯理论的角度计算出恒星内部的热核反应速率。 弗里茨的合作者罗伯特·阿特金逊是一位英国天文学家，而弗里茨是个 实验物理学家，伽莫夫正好可以在理论部分帮他们的忙。 他们的计算都已经就绪，但有一些不知如何处理的问题需要伽莫夫的帮 助。其中最主要的问题是弄清质子在穿入轻元素原子核时会发生什么情况。 质子的能量肯定不足以发射α粒子，除此以外，质子的穿入会给即将发出的 粒子造成第二个势垒。这样，最有可能发生的情况应该是：轻元素的原子核 将质子俘获，并以γ射线的形式发射出多余的能量。那么发射这种射线的几 率是多大呢？必须记住，在1929年，中子尚未发现，人们认为原子核是由质 子和电子组成的，尽管当时要把电子当作原子核结构的一个独立的组成部分 也还是十分困难的。因此，伽莫夫采用了汤姆逊的偶极辐射理论公式。须知， 在电荷之间的四极场，导致电荷之间相互排斥；还由数量更多的正负电荷形 成的八极场以至更高阶的n极场，它们导致更为复杂的相互作用。 当电荷振荡时，周围的电场就向四面八方传播，形成磁波并把能量带走。 偶极发射体的辐射强度最大，四极发射体的辐射强度要小得多，而更高价的 n极发射体的辐射强度更是迅速减小。如果原子核是由电荷相反的粒子组成 （像原子的情况那样），那么发射的γ射线会很强。如果原子核像我们现在 所知道的那样，是由质子和不带电荷的中子所组成，它周围的电场与四极发 射体较为相似，其强度应该运用四极子公式来计算。而四极子的发射强度相 对于偶极子来说要减低一个因子，这个因子等于： 2 （发射体大小/发射波长）， 在原子核发射γ射线的情况下，这个因子为 1/10000。 这样，阿特金逊和郝脱曼斯采纳了他的建议。在他们有关热核反应的论 文中，他们作出结论说，只有在周期表中介于锂和氖之间的某个轻元素，它 的原子核和质子之间所发生的反应，才能解释太阳内部能量的产生。根据α 粒子轰击得到的信息，在这一循环过程中，原子核连续俘获四个质子，然后 以一个α粒子的形式将它们射出。在这篇论文发表后的十年里，物理学界积 累了足够的实验证据，终于使人们能够弄清恒星内部的热核反应的具体情 况。 1929年春天，伽莫夫在哥本哈根的研究时间就要到期了。他有机会申请 得到在剑桥大学工作的洛克菲勒研究基金，但要等到秋季才行。而另一方面， 他在列宁格勒大学的第三年博士生定期生活津贴从冬天以来一直存在那，夏 季也依然享有津贴。这样，他决定回俄国过夏天。于是他便起身回国了。 在国内，他受到了热情的欢迎，因为，用当时报纸的话来说：“一个工 人阶级的儿子解释了世界最微小的结构：原子的核。”“一个苏联学生向西 方表明，俄国的土壤能够孕育出自己的才智机敏的牛顿们。”官方报纸《真 理报》在第一版刊登了一首打油诗： 人说苏联尽出傻子， 有个家伙叫伽莫夫的确就在这里， 这个工人阶级的笨儿子， 竟然追上原子把它当球踢。 据说，针尖上有原子亿万个， 可他只盯住一个，朝它的核心猛击。 他是那么聪明机智，那么熟练灵巧， 原子破裂，破裂，只留下碎片而已。 就这样“平庸”的民族解开了谜中之谜， 这究竟意味什么？ 难道我们已能和别人相比？ 难道我们在世界上的形象将有所改变？ 留神，这个伽莫夫值得你们西方世界警惕。 不管有无改变， 清楚的事实不容置疑： 强大的十月异军*已在科学领域突起。 （十月异军：指十月革命后的崭新的苏维埃社会主义国家） 伽莫夫回国后先回家乡敖德萨去看望年迈的父亲，接着又到克里米亚的 锡美伊兹天文台住了几个星期，并且参加了由洛克菲勒研究基金要求的体格 检查。回到列宁格勒后，他收到了基金会的通知，他得到了去剑桥卡文迪许 实验室工作的研究基金，于是他再次前往英国。 他到达剑桥，同熟悉的卢瑟福教授一同工作，卢瑟福主持的卡文迪许实 验室是世界闻名的物理学研究基地。 这一天发生了一件有趣的事。伽莫夫来到实验室，有人告诉他卢瑟福正 在到处找他，他连忙赶到办公室。卢瑟福把手里的一封信递给他，问道：“这 上面究竟是什么意思？”伽莫夫看到这封信的大致意思如下： 敬爱的卢瑟福教授： 我们大学物理俱乐部的同学推选您为我们的名誉主席，因为是您证明了 原子具有炮弹。 康德拉辛柯 1929年10月于苏联顿河畔罗斯托夫城 他费了半天劲才向卢瑟福解释清楚。原来，在俄文中，原子核一词同时 还有炮弹的意思，而学生们在查俄英词典时恰恰把词选错了。卢瑟福听后好 不容易才止住了大笑，吩咐秘书给学生俱乐部回信，感谢他们给他的荣誉。 然而这个不经意的笑话却成为后来的惊人的事实，原子中不但真的有“炮 弹”，而且这“炮弹”利用原子核裂变的巨大能量而具有无穷的威力，这就是原子弹。而使伽莫夫更无法预料的是，日后他也将参加到研制核武器的行 动中去。 在实验室的研究工作中取得了一些有意义的成果。一次，伽莫夫看到一 篇玻斯写的论文，玻斯当时在研究铝丝在α粒子轰击作用下发射出的质子。 在做这类实验时，人们一般使用很薄的金属箔，这样，α粒子在穿过它们时 就没有机会丧失许多起始能量。因此，从原子核撞出的质子全都带有相同的 能量，并且在金属箔后面的空间中有非常确定的射程。然而在玻斯的实验中， 他使用的铝箔的厚度足以完全阻止所有的α粒子穿入，在这种情况下，从另 一边射出的就只有质子。这样做是为了图方便，因为经过如此安排，就不必 担心把α粒子错当成质子。玻斯所观察到的质子群是一个匀速质子群。而这 正是伽莫夫所在的实验室反对的。原因是，既然穿入金属箔的粒子，其能量 会随着穿入深度的增大而不断减弱，那么应该预期射出质子的能量也是不确 定的连续分布。可是玻斯论文中的曲线却表明，能量是十分确定的。 而伽莫夫知道，如果α粒子的运动是由德布罗易波（领波）支配的，那 么在粒子与原子核能量相当时，它们的碰撞可望伴随有共振现象出现。在玻 斯用厚金属箔进行的实验中，共振可能在箔的中央某个有明确界限的层中发 生，在这种情况下，射出的质子也就可能带有十分确定的能量。 于是，卢瑟福给玻斯去信，建议他做一次“切片香肠”实验。在那个实 验中，玻斯把他的铝箔切成十来层薄片。确切地说，他并不是把铝箔切成片。 而是做了个由十几层薄箔组成的“夹层蛋糕”来代替，每一层的厚度都相应 地比较小，为了“捉弄”α粒子，其中有一层不是铝箔而是铜箔，它的厚度 使α粒子停下来的能力恰好与铝箔相同。玻斯把他的这堆簿箔放入α粒子束 中，不断把最前面的铝箔移到最后面，使得“假铝箔”（即铜箔）在“蛋粒” 层的内部轮流占据不同的位置。质子以其通常的强度连续不断地出现，直到 在某一次移动以后骤然消失。当再次移动铝箔时，它们便又回复原状。这种 情况是不难理解的，当铜箔处在某一特定位置上时，质子带着略高于铝共振 值的能量进入铜箔，在离开铜箔时，其能量已低于使下一层铝箔产生共振所 必需的能量。 今天来描述玻斯的实验未免显得枯燥，可当时，它所带来的结果却非常 振奋人心，因为它演示了一个典型的波动现象，并进一步肯定了关于物质及 其运动的新思想。当然，核共振的发现也为未来对物质结构的研究开辟了新 的前景。 在那一年的冬天，卢瑟福苦苦思索着分裂原子核的可能性——不是用天 然放射性元素的α粒子去轰击原子核，而是用在高电场里人工加速的各种轻 元素的离子去轰击。确实，这就能得到许多种可能的入射粒子，尤其是氢原 子核（质子），即其中最轻的一种。问题是：要在靶上得到可探测到的产额， 应该使质子具有多大的能量？伽莫夫的那种对α粒子轰击实验的成功解释对 问题起到了帮助，答案可以在下述理论中得出：原子核周围势垒的穿透性与 被轰击原子核的原子序数以及入射粒子的电荷成正比，而与入射粒子的速度 成反比。因此，既然质子的电荷是α粒子的一半，它就会和一个以质子 1/2 速度运动的α粒子产生大致相同的效应 （当被轰击元素相同时）。既然质子 的质量是α粒子的1/4，那么质子穿过势垒所必需的动能将是α粒子的1/4 ×（1/2）2＝1/16。 在伽莫夫理论的指导下，卢瑟福实验室的另外两名研究者通过一台高能量的加速器，成功地轰击开了锂的原子核。 1930年初夏，伽莫夫的老朋友朗道来到剑桥，他们两人做了一次穿越英 格兰和苏格兰的旅行，游览观光各式古堡和博物馆。 在卡文迪许的那个学年结束了，度假归来，伽莫夫接到玻尔的信，邀请 他去哥本哈根过冬。圣诞节的假期，他和玻尔去挪威的特龙黑姆附近作两星 期的滑雪旅行。但是，在这次旅行中，由于划雪速度太快而摔伤了右腿，被 医生要求住院两星期。但他坚持拐着腿完成了最后的旅程。在挪威北部的极 夜生活中，伽莫夫体会了每天大部分时间是黑夜，星星和极光点缀着“白天” 的美妙情景。 |
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