第6章 物理大发明(6)
恩斯特·鲁斯卡及其合作者几十年来孜孜不倦地为改进电子显微镜辛勤工作，为现代科学的发展做出了重要贡献。电子显微镜为人们观察物质微观世界开辟了新的途径。在50年代中期制成的中、高分辨率电子显微镜，能够观察晶体缺陷，促进了固体物理、金属物理和材料科学的发展。在70年代出现的超高分辨率电子显微镜使人们能够直接观察原子。这对于固体物理、固体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物学和分子生物学的发展起了巨大的推动作用。
恩斯特·鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖一年多后于1988年5月27日在德国柏林去世，他的一生完全贡献于电子显微镜事业。继他之后，不仅有高压电镜和扫描电镜问世，而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜，这就是1982年发明的扫描隧道显微镜。扫描隧道显微镜是通向微观世界的又一项有力武器。
回旋加速器的发明
粒子物理学的诞生揭开了物理学发展史中崭新的一页，它不但标志了人类对物质结构的认识进入了更深的一个层次，而且还意味着人类开始以更积极的方式变革自然、探索自然、开发自然和更充分地利用大自然的潜力。
各种加速器的发明对粒子物理学的发展起了很大的促进作用，美国物理学家劳伦斯（E·Lawrence）顺应这一形势，走在时代的前列。他以天才的设计思想、惊人的毅力和高超的组织才能，为加速器的发展作出了重大贡献。
劳伦斯1901年出生于美国南达科他州南部的坎顿，父母都是教师，早年就对科学有浓厚兴趣，喜欢做无线电通讯实验，在活动中表现出非凡的才能。他聪慧博学，善于思考，原想学医，却于1922年以化学学士学位毕业于南达科他大学，后转明尼苏达大学当研究生。导师斯旺对劳伦斯有很深影响，使他对电磁场理论进行了深入的学习。
劳伦斯在耶鲁大学继续研究两年之后，于1927年当了助理教授。1928年转到伯克利加州大学任副教授。两年后晋升，是最年轻的教授。在这里他一直工作到晚年，使伯克利加州大学由一所新学校成为粒子物理的研究基地。
1928年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器、整流器、冲击发生器、静电发生器和特斯拉线圈，等等。这些方法全都要靠高电压。
可是电压越高，对绝缘的要求也越高，否则仪器就会被击穿。正当劳伦斯苦思解决方案之际，一篇文献引起了他的注意，使他领悟到用一种巧妙的方法来解决这个矛盾。他后来在诺贝尔物理学奖的领奖演说中讲到：
“1929年初的一个晚上，当我正在大学图书馆浏览期刊时，我无意中发现在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗的论文，讨论正离子的多级加速问题。我读德文不太容易，只是看看插图和仪器照片。从文章中列出的各项数据，我就明确了他处理这个问题的一般方法……在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压，以使正离子得到多次加速。这一新思想立即使我感到找着了真正的答案，解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步地阅读这篇文章，就停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样的。简单的计算表明，加速器的管道要好几米长，这样的长度在当时作为实验室之用已是过于庞大了。于是我就问自己这样的问题：不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让正离子一次一次地来往于两电极之间？再稍加分析，证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场谐振，在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。”
劳伦斯不仅提出了切实可行的方案，更重要的是以不懈的努力实现了自己的方案。
1930年春，劳伦斯让他的一名研究生爱德勒夫森（N·Edleson）做了两个结构简陋的回旋加速器模型。真空室的直径大约只有10厘米。其中的一个还真的显示了能工作的迹象。随后，劳伦斯又让另一名研究生利文斯顿（M·S·Livingston）用黄铜和封蜡作真空室，直径也只有11.43厘米，但这个“小玩意”已具有正式回旋加速器的一切主要特征。1931年1月2日，在这微型回旋加速器上加不到1 000伏的电压，可使质子加速到80 000电子伏，也就是说，不到1000伏的电压达到了8万伏的加速效果。
1932年，劳伦斯又做了22.86厘米和27.94厘米的同类仪器，可把质子加速到1.25兆电子伏（MeV）。正好这时，英国卡文迪什实验室的科克饶夫（J·D·Cockcroft）和瓦尔顿（E·T·S·Walton）用高压倍加器做出了锂（Li）蜕变实验。消息传来，人心振奋，劳伦斯看到了加速器的光明前景，更加紧工作。不久他就用27.94厘米回旋加速器轻而易举地实现了锂蜕变实验，验证了科克饶夫和瓦尔顿的结果。这次实验的成功，显示了回旋加速器的优越性，使科学界认识到它的意义，同时也大大增强了劳伦斯等人对工作的信心。
于是他和利文斯顿以更大的规模设计了一台D形电极、直径为68.58厘米的机器，准备把质子加速到5MeV能量。这时氘已经被尤里（Urey）发现了，劳伦斯可以用氘核作为轰击粒子，以获得更佳效果。因为氘核是由一个质子和一个中子组成的复合核，氘核在静电场作用下有可能解体，变成质子和中子。而中子的穿透能力特别强，这样就可以利用回旋加速器产生许多重要的人工核反应。
68.58厘米回旋加速器的运行带来了丰硕成果。许多放射性同位素陆续在伯克利发现。伯克利加州大学成了核物理的研究中心，他们把生产出来的放射性同位素提供给医生、生物化学家、农业和工程科学家，广泛应用在医疗、生物、农业等领域。
1936年，在劳伦斯主持下，他们将68.58厘米回旋加速器改装成93.98厘米的，使粒子能量达到6MeV。用它测量了中子的磁矩，并且产生出了第一个人造元素——锝（Tc）。
为了表彰劳伦斯发明的回旋加速器的功绩，1939年诺贝尔物理学奖授给了劳伦斯。
然而，劳伦斯仍不愿加速器停留在这个水平。他认为，在这个水平上工作，还远不足以发现微观世界的奥秘。所以新的一代回旋加速器又在设计之中。
一台大型的回旋加速器，从设计、制作、安装、调试直到进行各项实验活动，都需要各种人才的分工协作、互相配合。劳伦斯在诺贝尔奖颁奖会上的演说词中讲到：“从工作一开始就要靠许多实验室的众多能干而积极的合作者的集体努力”，“各方面的人才都参加到这项工作中来，不论从哪个方面来衡量，取得的成功都依赖于密切和有效的合作。”
1958年劳伦斯因病去世，终年57岁。为了纪念他，伯克利加州大学辐射实验室改名为劳伦斯辐射实验室。他的一生为回旋加速器奋斗不息，虽然他自己没有直接做出科学发现或者创立科学理论，但是在他的领导和培养下或者在跟他协作的过程中，许多人做出了重大贡献。在他的实验室里，先后有8人获得诺贝尔奖。由于加速器的应用，物理学进入了一个新阶段，“大科学”从此开始了。
核乳胶的发明
1950年诺贝尔物理学奖授予英国布里斯托尔大学的鲍威尔（C·F·Powell），表彰他发展了研究核过程的光学方法，和他用这一方法做出的有关介子的发现。
所谓研究核过程的光学方法，指的是运用特制的照相乳胶记录核反应和粒子径迹的方法，这种特制的乳胶就叫做核乳胶。
鲍威尔1903年12月5日生于英格兰肯特（Kent）的汤布里奇（Tonbridge）。他父亲是一位枪炮制造商，长期从事这方面的贸易。他的祖父曾创建一所私立学校。家庭的影响使他从小就有崇尚实践和重视学术的素养。他11岁时就在当地的学校取得了奖学金，后来又在社会上赢得了公开奖学金到剑桥大学的西尼·塞索克斯（Sidney Sussex）学院学习。1924～1925年以头等成绩通过了自然科学学位考试，1925年毕业。1925～1927年鲍威尔作为卢瑟福和C·T·R·威尔逊的研究生在卡文迪什实验室做研究工作，1927年获博士学位。他的第一项研究是与云室有关的凝聚现象，其结果间接地解释了经喷嘴的蒸汽会产生高度电离这一反常现象。他证明了这是由于在快速膨胀的蒸汽中存在过饱和现象。他的结论关系到蒸汽涡轮机的设计和运转。1928年鲍威尔去布里斯托尔大学威尔斯物理实验室工作，当丁铎尔（A·M·Tyndall）的助手，后来晋升为讲师。1936年他参加地震考察队访问西印度群岛，研究火山活动。第二年回以布里斯托尔，1948年升任教授。他在这里长年耐心地工作于发展一种测量正离子迁移率的精确技术，从而掌握了大多数普通气体中的离子特性。在旅居加勒比海之后，他又回过来从事建造一台用于加速质子和氘核的科克饶夫高压加速器，把加速器与威尔逊云室结合起来，可以研究中子-质子散射。1938年他在从事宇宙射线实验中采用各种照相乳胶直接记录粒子的径迹。当科克饶夫高压加速器开始运转时，鲍威尔用同样的方法观测反冲质子的径迹，测量中子的能量，他和合作者发现乳胶中带电粒子的径迹长度可以对带电粒子的射程给出精确的计量，不久就明确这一方法在核物理实验中有非常大的好处。这一发现把他引向研究高能氘核束所产生的散射和蜕变过程。
后来鲍威尔又回过来从事宇宙射线的研究并研制出了灵敏度更高的照相乳胶。1947年他和奥恰利尼在海拔3 000米的山顶上，用这种新乳胶直接记录宇宙射线的辐射，并通过分析乳胶中射线的径迹，证实了π±介子的存在，并且观测到了π介子衰变成μ介子和中微子的过程。1949年鲍威尔又用这种方法发现了K介子的衰变方式。
鲍威尔所用的照相法是基于这样的原理：带电粒子穿过照相乳胶时，所经之处溴化银颗粒会被带电粒子电离，因而留下轨迹；一系列变黑的颗粒以一定间隔分布，其距离视粒子速率而定；粒子速率越大，则间距也越大。这是因为快速粒子比慢速粒子具有更小的电离能力。
这一方法其实并不新颖，早在20世纪初期就已用做显示放射性辐射的手段。因为要在核过程的研究中运用这一方法，首先需要有一种对各种带电粒子特别是快速粒子都很灵敏的乳胶。
在30年代初期，这个问题似乎已经接近于解决，因为有人发现，可以用敏化乳胶片的办法使之能对快速质子发生作用。不过这一方法用起来很困难，所以未能广泛使用。
不需要事先敏化的乳胶在1935年就由列宁格勒的兹达诺夫和依尔福德（ILFORD）实验室各自独立地生产出来了。但是在核物理研究中，即使到了30年代照相法仍未得到普遍采用，只有在宇宙射线的研究上还有一些人用到这种方法。许多核物理学家对这种方法还持怀疑态度，因为从测量到的径迹长度计算粒子能量往往会得到很分散的结果。大家那个时候更相信的是威尔逊云室。
鲍威尔的功绩就在于驱散了对照相法的怀疑，他使照相法不仅对宇宙射线和结合核现象，而且在研究某些核过程中也能成为非常有效的手段。鲍威尔用新的依尔福德中间色调底片，研究了在核过程研究中照相法的用途和可靠性。从1939年至1945年他和他的合作者一方面做了各种试验，另一方面不断地改进材料的处理方法，研究有关技术，创制分析粒子径迹的光学设备。他们的工作令人信服地证明了：在核物理的研究中，照相法和云室及计数器是同样有效的，有时照相法比云室和计数器更为有效。照相法节省时间，节省材料。例如，用威尔逊云室在20 000张立体照片中可供测量的粒子径迹只有1 600条，而鲍威尔和他的合作者在3平方厘米的照相底片中就找到了3 000条可用的粒子径迹。1946年在他们为改进和发展照相法的努力中作出了重要的一步，这就是他们用到了一种新型的名叫“C2”的乳胶，其特性在各方面都超过了原来的乳胶。粒子的径迹更为清晰，看不到干扰本底，这就大大地提高测量的可靠性。后来还可以用照相法来发现罕见过程，可以在乳胶中掺某种原子以供特殊研究。改进的照相法对宇宙射线的研究就更为有效。乳胶可以连续记录，而威尔逊云室只能记录仪器操作的短暂时间间隙里所通过的粒子和所发生的过程，因而显得十分局限。可见，照相法在这些研究中大大优越于云室法。在法国南部有一个高于海平面2 800米的观测站用到了这种新型乳胶。后来又在高5 500米处进行测量，测量结果在乳胶中找到了大量的孤立粒子径迹，同时也有记录蜕变的分叉，这些分叉就像一颗一颗的星。在乳胶中可以找到分叉数各不相等的“星”，从这些星可以判定，有一些是小质量的粒子闯进了乳胶，打到乳胶中的某些原子核上，引起这些原子核发生蜕变。然而是宇宙射线的什么成分引起了原子核的蜕变？经过深入的研究，他们证明，这一活跃的粒子是介子，其质量比电子大几百倍，带的是负电。有些蜕变还可以观察到慢速介子从原子核里抛出来。1947年鲍威尔和他的合作者报告说，发现了一种介子，在其运动过程中又产生了另一介子。分析初始介子和二次介子的径迹表明有可能存在两类具有不同质量的介子。后来的实验证实了这一理论。初始介子叫做π介子，二次介子叫做μ介子。初步测量表明π介子的质量大于μ介子的质量，而它们的电荷都等于基本电荷。