赵忠尧,转身即核爆
作者 赖逸翰
发表于 2024年11月

“请戴上墨镜,在第一道闪光过去十秒之前,不要摘下墨镜或直视火球。”话毕,爆炸倒计时开始。

1946年,比基尼环礁,人类历史上第四颗原子弹将被引爆。爆炸中心20英里外,“潘敏娜”驱逐舰漂在太平洋上,甲板上站满了联合国原子能委员会代表。物理学家赵忠尧挤在人群中,等待一切发生。

巨响,火球,冲击波,蘑菇云,放射性尘埃重创爆心周围的靶舰。辐射蔓延开来,但20英里的距离,足以保护住赵忠尧。

核威胁近在眼前,达摩克利斯之剑悬于人类之上。

时至今日,我们仍然不知甲板上的赵忠尧在思考什么。

→ 青年赵忠尧

无法忽略的是,第四颗原子弹的成功爆炸,标志了因发展核武器而备受批评的十字路口行动阶段性完成,彼时连核物理研究都不曾有的中国也来到了十字路口。

观看结束后,赵忠尧没有随大部队登上回国的飞机,而是按与萨本栋教授所计划的,再度留在了美国。此行,赵忠尧的目标是为中国自主制造出一台加速器,以用于核物理研究。

1950年,几经波折,带着技术和部件的赵忠尧终于得以回国,开始大展手脚。

在随后的几年里,他用在美国费尽心血购置的器材,一点一点拼凑起了中国第一台700keV质子静电加速器;又从磨玻璃环、涂胶开始,在1958年“攒”出了一台2.5MeV高气压型质子静电加速器。

终于,中国有了自己的核物理实验设备,这是制造原子弹的重要一步。而后,曾主持建立中国第一座核物理实验室的赵忠尧,加入了共和国初期的原子核科学研究队伍,参与核反应的相关实验。

1964年,在新疆罗布泊荒漠,中国第一颗原子弹终于试爆成功。彼时的赵忠尧,正忙于为下一代物理人才奔走,落实中国科技大学“近代物理系”课程设置。而他多年前的学生王淦昌、钱三强、邓稼先、彭恒武等被后世称为“两弹一星”元勋的物理学家们,则长久地扎在核武器研制基地里,为此刻的爆炸欢呼。

但赵忠尧的人生并不是一来就与核直接相关。在最开始探索物理时,他是宇宙射线的研究者,是物理史上首个观测到正负电子湮灭的反物质发现者,是值得一个诺贝尔奖的物理学家。

他曾说:“一个人能做出多少事情,很大程度上是时代决定的。”所以哪怕诺贝尔奖委员会错误评估了其工作成绩,赵忠尧对此也不在乎,不申辩。在更长的时间维度里,他更加务实且坚韧,只求做成事,不问名。

正—负电子对湮灭

20世纪头30年,物理学界的新发现异常多。

玻尔提出“原子模型”与“互补理论”,与爱因斯坦来回交锋;海森堡的“矩阵力学”横空出世,而后与薛定谔的“波动力学”握手言和,被狄拉克与约旦证明两者在数学上等价;紧接着狄拉克又给出了狄拉克方程,在无意识的情况下,以理论计算的方式预言了反物质正电子的存在。

赵忠尧的故事,从这里开始。

狄拉克方程被提出的这一年,1928年,在美国加州理工学院读博的赵忠尧从密立根教授手中接过“硬伽马射线通过物质时的吸收系数”的论文题目。他用铊208作为辐射源,让其辐射出能量为2.65MeV的硬伽马射线分别穿过轻元素和重元素,以观测、计算吸收系数。

在当时的物理世界里,物理学家们普遍认可伽马射线通过物质时的吸收,是由康普顿散射所引起的。于是,他的这个实验,主要是为了检验刚问世的,用于描述康普顿散射的克莱因—仁科公式是否正确。

→ 1946年,赵忠尧以观察员身份参观美国试爆原子弹,前排左一为赵忠尧。

做实验从来不是一件简单的事。因实验室工作紧张,赵忠尧通常需要上午上课,下午准备实验仪器,夜晚通宵取数据。“为了保证半小时左右取一次数,不得不靠闹钟来提醒自己。”赵忠尧在小传中这么写道。

好在断断续续的睡眠最终换来了可靠的实验结果。

当赵忠尧将实验结果与克莱因—仁科公式做比较时,发现:只有当硬伽马射线穿过轻元素时,实验结果才与公式相符合;当硬伽马射线穿过铅等重元素时,其吸收系数要比公式所给出的数值大出40%。

也就是说,当硬伽马射线穿过重元素时,会产生反常吸收。

但这个实验结果与密立根教授的预期不符。因担心实验结果有误,密里根教授并没有选择立即发表该论文。

这一搁置,就是两三个月。赵忠尧有些着急了,好在全程关注赵忠尧实验细节的光谱学家鲍文教授出面,向密立根教授保证了实验结果的可靠性,论文终于1930年5月在《美国国家科学学院院报》上发表出来。同时期,英国与德国的科学家也得出了类似的结果。

反常吸收的实验告一段落,博士毕业所需的成果已有,此时距离赵忠尧毕业只剩下大半年的时间。但赵忠尧止不住好奇心,想要继续探索硬伽马射线与物质相互作用的机制。

1930年春天,赵忠尧决定放手一搏,选定铝元素与铅元素作为轻、重元素的代表,开始比较两者的散射强度,以探测散射辐射的强度和角分布。

第二个实验开始,却没那么简单。设备不稳定,散射辐射比背景更弱,都可能导致实验失败。大胆、细心与耐心,以取消暑期旅行作为代价,最终让赵忠尧在9月测得了良好的实验结果。

结果显示,当硬伽马射线被铅散射时,除了康普顿散射,伴随着反常吸收还存在着一种特殊散射辐射。这种特殊散射辐射大致是同向各性的,波长为22X.U,即相当于0.5MeV的光量子。

这证明了硬伽马射线在重元素中所出现的反常吸收,并不是由康普顿效应所引起的,而是因为硬伽马射线与原子核发生作用产生了正负电子对。

本文刊登于《新华月报》2024年19期
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