趙忠堯是我國(guó)著名的物理學(xué)家，被譽(yù)為中國(guó)核物理事業(yè)的先驅(qū)者和奠基人之一。他在美國(guó)加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位期間，做出了一個(gè)重要的物理發(fā)現(xiàn)，即硬 γ 射線在物質(zhì)中的反常吸收和特殊輻射，這是正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生和湮滅過(guò)程的最早實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展有重要意義。

硬 γ 射線是指能量高于 1MeV 的 γ 射線，它是一種高能電磁輻射，可以穿透物質(zhì)。當(dāng)硬 γ 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它會(huì)與物質(zhì)中的原子核和電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致射線的能量和方向發(fā)生變化。這種變化可以用吸收系數(shù)和散射截面來(lái)描述。吸收系數(shù)表示射線在單位厚度的物質(zhì)中能量損失的比例，散射截面表示射線與物質(zhì)原子發(fā)生散射的概率。

根據(jù)康普頓效應(yīng)，硬 γ 射線與自由電子發(fā)生散射時(shí)，會(huì)將部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子獲得動(dòng)能，并使 γ 光子的能量降低和方向改變。康普頓效應(yīng)是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論的一個(gè)重要結(jié)果，它可以用克萊因-仁科公式來(lái)計(jì)算吸收系數(shù)和散射截面。但是，在 1920 年代末，量子力學(xué)已經(jīng)開(kāi)始取代經(jīng)典力學(xué)成為物理學(xué)的主流理論，而量子力學(xué)對(duì)于硬 γ 射線與物質(zhì)的相互作用有更深刻的解釋。

1928 年，英國(guó)物理學(xué)家保羅?狄拉克提出了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的方程式，即狄拉克方程。這個(gè)方程式不僅符合相對(duì)論原理，而且也符合量子力學(xué)原理。狄拉克方程有一個(gè)驚人的結(jié)果，就是它預(yù)言了存在一種與電子具有相同質(zhì)量但相反電荷的粒子，即正電子。正電子是一種反物質(zhì)，它與電子相遇時(shí)會(huì)相互湮滅，并放出兩個(gè)能量相等且方向相反的 γ 光子。

狄拉克方程還預(yù)言了另一種可能性，即一個(gè)高能 γ 光子在強(qiáng)磁場(chǎng)或重原子核附近時(shí)，會(huì)分裂成一個(gè)正負(fù)電子對(duì)。這兩個(gè)過(guò)程實(shí)際上是可逆的，并且都滿(mǎn)足能量守恒和動(dòng)量守恒定律。但是，在 1928 年時(shí)，正電子還沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，因此狄拉克方程也沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可。

趙忠堯到加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位時(shí)，并不知道狄拉克方程和正電子的存在。他只是按照導(dǎo)師密立根教授的安排，用放射性元素鉈 208 作為輻射源，測(cè)量硬 γ 射線（能量為 2.6MeV）在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)，并用克萊因-仁科公式進(jìn)行計(jì)算。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬 γ 射線通過(guò)輕元素時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式相符，但當(dāng)通過(guò)重元素時(shí)，出現(xiàn)了反常現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論公式大了約 40%。這說(shuō)明，除了康普頓效應(yīng)外，還有其他的機(jī)制導(dǎo)致硬 γ 射線的能量損失。

為了探索這種反常吸收的機(jī)制，趙忠堯設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究硬 γ 射線與物質(zhì)的散射輻射。他用高氣壓電離室和真空靜電計(jì)進(jìn)行測(cè)量。他發(fā)現(xiàn)，硬 γ 射線被鉛散射時(shí)，除了康普頓散射外，還有一種特殊的光輻射出現(xiàn)。這種特殊輻射的強(qiáng)度是大致各向同性的，并且每個(gè)光子的能量與一個(gè)電子質(zhì)量的相當(dāng)能量很接近。趙忠堯?qū)⑦@個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)成論文，并于 1930 年 10 月在《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表。

趙忠堯的這兩篇論文引起了國(guó)際物理學(xué)界的注意。許多物理學(xué)家開(kāi)始重新思考硬 γ 射線與物質(zhì)的相互作用，并尋找正電子的存在證據(jù)。1932 年，趙忠堯的同學(xué)安德森用云室做宇宙線的實(shí)驗(yàn)，在照片中發(fā)現(xiàn)了一條和電子徑跡相似但在磁場(chǎng)中彎曲方向相反的徑跡，從而發(fā)現(xiàn)了正電子。安德森還觀察到正電子與電子相遇后消失，并放出兩條方向相反的徑跡，這就是正負(fù)電子對(duì)湮滅過(guò)程。安德森于 1936 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

趙忠堯雖然沒(méi)有直接觀測(cè)到正電子，但他卻是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電子對(duì)湮滅過(guò)程的實(shí)驗(yàn)跡象。他觀測(cè)到的特殊輻射就是由正負(fù)電子對(duì)湮滅產(chǎn)生的兩個(gè) γ 光子。他還觀測(cè)到的反常吸收就是由高能 γ 光子分裂成正負(fù)電子對(duì)所引起的能量損失。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后來(lái)安德森等人發(fā)現(xiàn)正電子提供了重要的線索和依據(jù)。趙忠堯可以說(shuō)是發(fā)現(xiàn)正電子的先驅(qū)。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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