第7章 物理大发明(7)

鲍威尔在进一步的实验中确定π介子的质量是μ介子的1.35倍。这个关系与美国伯克利辐射实验室的研究者们用467.36厘米的回旋加速器所测定的结果——1.33倍符合甚好。他们还确定，π介子的质量比电子大285倍，而μ介子的质量比电子大216倍。两种介子都可带正电，也可带负电。μ介子的寿命约为百万分之一秒，而π介子还要短百倍。π介子是不稳定的，会自发地蜕变为μ介子。负π介子易于和原子核相互作用，所以在乳胶中它们在径迹末端被原子俘获，既可引起轻原子核的蜕变，也可引起重原子核的蜕变。由于鲍威尔用上一种对电子敏感的乳胶，他在1949年证明了μ介子会在其路程的末端蜕变为一个带电的轻粒子和两个以上的中性粒子。接着，鲍威尔又研究了π介子（现在叫做π子），其质量为电子的1 000倍。这一介子是别人发现的，但鲍威尔对之做了更加详尽的探讨。

鲍威尔研究核乳胶的成功使布里斯托尔大学成了核物理研究的重要基地。他在1949年当选为英国皇家学会会员，1950年，也即核乳胶诞生的几年之后就获得了诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明

首先要指出，晶体管的发明不是哪一位科学家拍脑袋想出来的，而是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。

早在19世纪中叶，半导体的某些特性就受到科学家们的注意。法拉第观察到硫化银的电阻具有负的温度系数，与金属正好相反。史密斯用光照射在硒的表面，发现硒的电阻变小。1874年，布劳恩第一次在金属和硫化物的接触处观察到整流特性。1876年，亚当斯和戴依发现硒的表面会产生光生电动势。1879年，霍耳发现霍耳效应。对于金属，载流子是带负电的电子，这从金属中的电流方向、所加磁场的方向以及霍耳电势差的正负可以作出判断。可是，也有一些材料显示出正载流子而且其迁移率远大于正离子，这正是某些半导体的特性。可是，所有这些特性——电阻的负温度系数、光电导、整流、光生电动势以及正电荷载流子，都无法做出合理的解释。在19世纪物理学家面前，半导体的各种特性都是一些难解之谜。然而，在没有揭示其导电机理之前，半导体的某些应用却已经开始了，而且应用得还相当广泛。1883年，弗立兹制成了第一个实用的硒整流器。无线电报出现后，天然矿石被广泛用作检波器。1911年，梅里特制成了硅检波器，用于无线电检波。1926年左右，锗也用于制作半导体整流器件。这时，半导体整流器和光电池都已成为商品。人们迫切要求掌握这些器件的机理。

然而，作为微观机制理论基础的量子力学，这时才刚刚诞生。

电子管问世之后，获得了广泛的应用。但是电子管体积大、耗电多、价格昂贵、寿命短、易破碎等缺点，促使人们设法寻找能代替它的新器件。早在1925年前后，已经有人在积极试探有没有可能做成像电子管一样，在电路中起放大作用和振荡作用的固体器件。

人们设想，如果在半导体整流器内“插入”栅极，岂不就能跟三极真空管一样，做成三极半导体管了吗？可是，如何在只有万分之几厘米的表面层内安放栅极呢？1938年，德国的希尔胥和R·W·玻尔在一片溴化钾晶体内成功地安放了一个栅极。可惜，他们的“晶体三极管”工作频率极低，只能对周期长达1秒以上的信号起作用。

在美国贝尔实验室工作的布拉坦（W·H·Brattain）和贝克尔（J·A·Becker）于1939年和1940年也曾多次试探实现固体三极管的可能性，都以失败告终。成功的希望在哪里呢？有远见的人们指望固体物理学给予理论指导。

正好在这期间，量子力学诞生了，A·H·威尔逊在1931年提出了固体导电的量子力学模型，用能带理论能够解释绝缘体、半导体和导体之间的导电性能的差别。接着，他在1932年，又在这一基础上提出杂质（及缺陷）能级的概念，这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。1939年，苏联的达维多夫、英国的莫特、德国的肖特基各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。

至此，晶体管的理论基础已经准备就绪，关键在于如何把理论和实践结合在一起。1945年1月在美国贝尔实验室成立的固体物理研究组出色地做到了这一点。上面提到的布拉坦就是这个组的成员之一。他是实验专家，从1929年起就在贝尔实验室工作。另有一位叫肖克利（B·Shockley），是理论物理学家，1936年进入贝尔实验室。

1945年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组，其宗旨就是要在固体物理理论的指导下，“寻找物理和化学方法，以控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质”。这个组共有7人，组长是肖克利，另外还有半导体专家皮尔逊（G·L·Pearson）、物理化学专家吉布尼（R·B·Gibney）、电子线路专家摩尔（H·R·Moore）。最关键的一位是巴丁（J·Bardeen），他也是理论物理学家，1945年刚来到贝尔实验室，是他提出的半导体表面态和表面能级的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作得以走上正确的方向。

贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯并研究成功生长大单晶锗的工艺，使固体物理研究组有可能利用新的半导体材料进行实验。肖克利根据莫特-肖特基的整流理论，并且在自己的实验结果之基础上，做出了重要的预言。他认为，假如半导体片的厚度与表面空间电荷层厚度相差不多，就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面的电流也受到调制。这就是所谓的“场效应”，是以后的场效应管的理论基础。

可是，当人们按照肖克利的理论设想进行实验时，却得不到明显的效果。后来才认识到，除了材料的备制还有缺陷之外，肖克利的场效应理论也还不够成熟。表面态的引入，使固体物理研究组的工作登上了一个新的台阶。他们测量了一系列杂质浓度不同的p型和n型硅的表面接触电势，发现经过不同表面处理或在不同的气氛中，接触电势也不同，还发现当光照射硅的表面时，其接触电势会发生变化。接着，他们准备进一步测量锗、硅的接触电势跟温度的关系。就在为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他们把样品和参考电极浸在液体（例如可导电的水）中时意外的情况出现了。他们发现，光生电动势大大增加，改变电压的大小和极性，光生电动势也随之改变大小和符号。经过讨论，他们认识到，这正是肖克利预言的“场效应”。

巴丁提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖，再把针尖压进已经处理成n型和p型硅的表面，在针尖周围加一滴水，水与硅表面接触。带有蜡层的针同水是绝缘的。

正如他们所预期的那样，加在水和硅之间的电压，会改变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了功率放大。后来，他们改用n型锗做实验，效果更好。然而，这样的装置没有实用价值，因为水滴会很快蒸发掉。由于电解液的动作太慢，这种装置只能在8赫以下的频率才能有效地工作。

他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，如果在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，有可能达到同样的目的，然而，这一方案实现起来也有困难。

最后，他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到大约5×10－3厘米的样子，而最细的导线直径都有10×10－3厘米。实验能手布拉坦想出一条妙计。他剪了一片三角形塑料片，并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，然后用刀片从三角形塑料片的顶端把金箔割成两半。再用弹簧加压的办法，把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是，他做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器。他们命名为晶体管（transistor）。这一天是1947年12月23日。接触型晶体管诞生了。

接着，肖克利又想出了一个方案。他把n型半导体夹在两层p型半导体之间。1950年4月他们根据这一方案做成了结型晶体管。

亲爱的朋友们，以上讲了晶体管的发明经过，从这段史实中，你能否指出，是谁发明了晶体管？谁又是最主要的发明者？是巴丁？是肖克利？还是布拉坦？应该说，他们都是。功劳应归于他们这个集体，他们所在的固体物理学小组。晶体管是他们的集体创造。我们不必纠缠于争论谁的功劳大，但至少可以由此得到一条信念：科学是人类集体的事业，是人们以各种方式，包括有形的和无形的，进行协作的产物。

原子钟的发明

大家知道，在计量单位制中，除了长度和质量外，还有一个基本物理量，那就是时间。

微波激射器发明后，人们已经认识到可以利用其极为精确的计时功能制造原子钟。原子钟的发明是在新长度基准之外又一件量子计量技术的成果。它使计时技术发生了革命性的变化。要知道，时间的计量对人类的生活有着不可估量的意义。

日出而作，日入而息，铜壶滴漏，日晷影移，这是原始的时间计量。古人就据此建立了各种可靠的计时标准。

在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地自古以来人们就以地球自转周期作为时间的量度基准，这就是所谓的太阳日。最初秒的定义就是1秒＝1／86 400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义在1900年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的1／31 556 925.9747。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。

然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展，1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。”

这么精确的数据是从哪里来的？应该说：这是原子物理学工作者长期研究的成果，是40年代、50年代发明原子钟的重大收获。

大家知道，对于一个周期性系统来说，其周期与频率是互为倒数的。以周期作为时间计量单位实际上就是以频率作为计算时间的依据。原子在能量差为ΔE的两个能级之间跃迁时，将会放出或吸收电磁波，其频率ν＝ΔE／h（h即普朗克常数）。如果能够控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率。如果这一频率非常稳定，就有可能被选定充当原子频率标准。

我们从光谱仪就可以测出原子光谱每一根谱线的频率，不过，原子光谱的谱线往往不是一根线，而是由若干更细的线组成。只要光谱仪的分辨率提高就可以观察到，这叫做光谱的精细结构。实际上精细结构还可以再分解，如果有分辨率更高的光谱仪，特别是在磁场的作用下，可以进一步观察到精细结构里还有更精细的结构，这叫做超精细结构。原子光谱的超精细结构早在1928年就有人观察到了。实验表明，基态的超精细结构跃迁频率不易受外界磁场的影响，相当稳定，以之作为频率标准是适宜的。

早在1940年，美国物理学家拉比就预见到铯133的超精细结构有可能作为频率计量的基准。

铯133有三个特点：一是超精细结构的裂距量大，达9.2GHz，测量的精确度也很高，可达10－5。二是碱金属原子结构都很简单，属于单电子原子，和氢原子有类似性质，原子光谱的规律最明显，而铯是碱金属稳定元素中最重要的一员，原子质量大，则多谱勒频移小，谱线宽度随之减小，因此可得更高的精确度。三是铯在自然界中仅有一种同位素，即铯133（133Cs），这是最有利的条件。所以拉比首选铯作为原子钟的工作物质。

美国物理学家拉姆齐（N·F·Ramsey）当时正好在哥伦比亚大学随拉比做博士论文，题目是《用原子束方法研究分子的旋转磁矩》。他记得在拉比小组中曾讨论过用铯133的超精细结构测量频率的可能性。拉比还建议美国国家标准技术局研制原子钟，后因条件尚不成熟而搁置。

第二次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子技术有了长足进展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的时代已经不远了。

原子束实验装置素以结构复杂、设备庞大著称，因为它既需要加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射，聚焦、选场、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率计量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。

拉姆齐和大家一样，也在为这个问题做各种探讨。他当时正在哈佛大学教物理光学课，正当他在为谱线增宽的问题苦思之际，迈克耳逊的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的方法。

迈克耳逊的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项成果。他在加州威尔逊山天文台的2.54米天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6米，利用两翼的光束互相干涉，从而测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直没有解决的问题。相距6米的反射镜相当于把望远镜的口径加大6米，实际上即使成了这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学时当然会涉及这个问题。