正电子*

安德森

编者按

1932年9月，卡尔·安德森声明发现了正电子，一种与电子质量相同且带有一个正电荷的粒子。在这篇文章中他回顾了正电子的发现和从那时起所学到的知识。他指出，通过宇宙线轰击铅靶并在强磁场内的云室中观察产生的径迹，便可确认这一发现。1933年4月，另外有物理学家发现，在核的强场中γ射线可产生电子–正电子对。安德森详细地回顾了这些实验，并指出相反的过程应该也是非常重要的，即电子和正电子的湮灭产生γ辐射，尽管这一现象当时还未被观测到。ft　　英文

1932年9月，根据在加州理工学院进行的宇宙线实验，我本人首次报道了自由正电子或者正电子的存在[1]。对于发生的那些效应，所有可能的解释都在这篇最初的文章中进行了详细讨论，该文还指出只有通过引入自由正电子的存在，才能从逻辑上解释那些效应。ft　　英文

作为密立根教授的宇宙线研究计划（具体来说就是利用在非常强的水平磁场内的垂直云室做宇宙线粒子能量的测量）的一部分，这种测量于1931年8月首次拍得照片，当时的装置情况是云室17 cm×17 cm×3 cm，磁场强度保持在20,000高斯。正如1931年11月在巴黎和英国剑桥的讲座中所报道的，以及密立根和我本人[2]于1932年3月发表的结果一样，这项研究首次揭示了一个事实，即在宇宙线的吸收过程中核效应是最重要的。伴生的带正电荷和负电荷的粒子的径迹或簇射的频繁发生可以证明这一点。ft　　英文

1932年5月将铅板插入云室中心的实验能够明确说明，在几种情况下，这些带正电荷的粒子的质量不可能像质子的质量那么大。这些粒子的运动方向可以由以下两个过程来确定：首先，允许它们通过铅板，并损失部分能量；随后，对同样来自云室周围物质中某个小区域的两条或多条径迹进行观测。对于一条给定曲率的径迹，比电离显示该粒子的质量小于质子质量，而从粒子射程的观测则获得了更加确定的证据。所观测到的该粒子的射程是相同曲率的质子径迹的可能射程的好几倍，在某些情况下甚至超过了10倍。ft　　英文

1932年9月发表的宣称自由正电子或正电子存在的报道正是基于上述思考。在此后的五个月内又拍摄到了大量的验证性照片，这些照片明确地揭示了正电子的存在。1933年3月刊登的第二篇报道[3]对其中的15张照片进行了探讨。这些照片上的正电子径迹所展现出的比电离显示，正电子的电荷大小与自由负电子的电荷大小相差不到两倍。因此除非我们允许电荷的基本单位为分数值，否则我们可以断定自由正电子和负电子的电荷大小是完全相同的。根据这个事实，连同在磁场中正电子穿透铅板前后测量到的曲率一起，就可以确定出其质量不会比自由负电子的质量高出20倍。ft　　英文

上述结论得出之后[4]，对发生在云室气体中的一个运动正电子和一个自由负电子间的碰撞的观测表明，根据守恒定律，正电子的质量和自由负电子的质量是相等的，其误差不超过30%。通过在磁场中的径迹上进行真实离子计数，得到的与高速和低速的正负电子的比电离有关的更多最新测量结果[15]表明，正电子和负电子的比电离差别不会超过20％。这样就确定了对于电荷和质量，正电子和负电子的最大差值分别为10%和20%。有关这个发现过程的更多细节发表于1933年6月在美国芝加哥举行的美国科学促进会的会议上[4]。ft　　英文

1933年3月，基于运行在3,000高斯磁场内的垂直云室中的类似实验，并利用盖革–米勒计数器的响应来启动云室，布莱克特和奥恰利尼[5]给出了正电子存在的确定性证据。1933年4月，查德威克、布莱克特和奥恰利尼[6]、居里和约里奥[7]以及迈特纳和菲利普[8]均指出，用α粒子对铍进行轰击可以产生辐射，从而导致正电子的产生，不过这些实验尚不能完全确定产生正电子的辐射的本质。然而通过吸收实验，居里和约里奥指出，如果正电子的产生是γ射线而不是辐射的中子组分造成的，那么产生的正电子的数量大体上会像预期中的那样减少。ft　　英文

首批直接证明γ射线光子撞击原子核会产生正电子的实验是在诺曼桥实验室进行的。该实验发表于1933年4月[9]，所使用的γ射线来源于钍C″。这篇文章首次报道了具有重要理论意义的观测，即用单个γ射线光子的碰撞会同时产生带有正电和负电的自由电子。1933年6月，尼德迈耶和笔者[10]给出了能量测量的初步结果。居里和约里奥[11]以及迈特纳和菲利普[12]分别于1933年5月和1933年6月，采用了钍C″的γ射线，并同样报道了从γ射线源可检测到正电子。居里和约里奥[13]还指出，经α粒子轰击后在铝和硼的蜕变中可直接产生正电子。就铝而言，这里的正电子不能由γ射线光子的内转换来产生，除非这种内转换的概率远大于理论预期值[14]。这些实验确实能够表明，基本正电荷实际上是从蜕变的原子核中转移出来的，并表现为一个正电子。ft　　英文

前面的论述简要地回顾了有关正电子及其产生的早期实验工作。ft　　英文

用过滤的钍C″的γ射线对自由正电子和负电子对的能量分布和产生频率进行详细研究具有特殊的价值，因为这些效应与在宇宙线能区出现的效应相比较为简单。ft　　英文

γ射线效应

现在将就支持布莱克特和奥恰利尼的理论的实验证据进行讨论，该理论以狄拉克的电子理论为基础，它假设光子撞击原子核的吸收过程会产生出一个自由的正负电子对。在此图像中，核本身不发生蜕变，而只是起催化剂的作用。讨论将依据以下两点：（1）由尼德迈耶和笔者对钍C″的γ射线效应所进行的新的统计研究；（2）由密立根、尼德迈耶、皮克林和笔者对宇宙线簇射所做的新实验。ft　　英文

居里和约里奥以及查德威克、布莱克特和奥恰利尼关于钍发出的辐射和用α粒子轰击铍而激发出的辐射的研究，以及我们关于宇宙辐射的研究[15]综合表明，产生正电子的吸收过程随着高能辐射和高吸收材料的发展而变得越来越重要。此外，我们基于总共超过2,500条单电子（包括正电子和负电子）和正负电子对的径迹进行了统计研究，这些单电子和电子对是由放射性钍通过2.5 cm厚的铅板过滤得到的γ 射线照射铅板、铝板和石墨板而发射出来的（某些情况下会使用未过滤的射线以进行比较）。通过该研究可测定正负电子对和单个正电子产生的频率，以及它们对不同原子序数的吸收物质的能量分布。我们的观测中采用的是0.25 mm厚的铅板、0.5 mm厚的铝板和1.4 cm厚的石墨板（它们也同样被用于宇宙线的研究）。所使用的磁场为825高斯。ft　　英文

我们首先来考虑能量。从铅板上发射出来的单个正电子和电子对（取正负电子的能量之和）所显示的最大能量均约为1.6 MV（MV=兆电子伏），80%的单个正电子的能量小于0.8 MV。与使用过滤的射线的情况相比，在未使用过滤的γ射线的情况下，尽管发射出来的正电子和电子对的数量相对较少，但最大能量也显示为1.6 MV。此外，在使用铝板的情况下，发射出的正电子和电子对的最大能量也约为1.6 MV。ft　　英文

在所有情况下，单个负电子的最大能量都约为2.5 MV。由于能量测量中的误差可能高达15%，因此其与康普顿碰撞或2.65 MV光子的光电吸收后产生的核外电子的最高预期能量符合得很好。ft　　英文

如果1 MV是产生一个电子对所需要的能量，那么来自铅和铝的正电子和电子对的最大能量1.6 MV就能与狄拉克图像的预期很好地吻合。然而，产生一个电子对所需的总能量是2.9 MV；虽然不太可能，但可以想到的是，它也许已经由宇宙线产生，再或许是它表示了一个电子对铅板下表面的反弹。ft　　英文

与能量分布同等重要的是，与单个负电子相比，单个正电子及电子对的数目分布。放射性钍通过2.5 cm厚的铅板过滤得到的γ射线照射0.25 mm厚的铅板，总共可发射出1,542个电子，其中有1,387个单个负电子、96个单个正电子和59个电子对。用相同的γ射线照射0.5 mm厚的铝板，总共有943个电子径迹，其中916个单个负电子、20个单个正电子和7个电子对。ft　　英文

通常可以认为负电子源于铅或铝中核外电子的康普顿碰撞和光电碰撞。但是单个正电子和电子对必然都对应于核的碰撞。如果我们假定在一般情况下由核碰撞产生的正负电子个数相等，那么我们便可以计算出核吸收与核外吸收之间的比值。对铅板而言，这个值约为20%，而对铝板而言约为50%。这些值与赵忠尧[16]、迈特纳[17]及格雷和塔兰特[18]在关于铅的吸收远超过铝的吸收以及在两种金属中核吸收与核外吸收的普遍关系的研究中采用完全不同的方法得到的值相当吻合。ft　　英文

钍C″的γ射线照射石墨板时，碳的核吸收是非常小的，这可以通过以下事实体现出来，即产生了415个负电子的同时，只出现了2个电子对和6个单个正电子。ft　　英文

总的来说，来自铝和铅的正电子和电子对的能量关系，似乎与有关电子对产生的假说非常一致，同样也与基于这个假说而计算得到的在铅和铝中的过剩吸收的近似值相一致。ft　　英文

就能量关系而言，观测到的单个正电子的数目与电子对数目之比也是非常重要的。一个正电子形成的同时是否总是伴随着一个负电子的形成，或者在某些情况下是否正电子产生的同时不伴随负电子的产生，这是一个难以通过目前所掌握的数据来回答的问题。当一个电子对产生时，板中只发出正电子，这时要对负电子移出概率进行精确计算并不容易，因为这受到多种因素的影响，其中包括发生这种情况时在板内的能量损失和多次散射，以及电子对组分的起始空间和能量分布。但是根据非常粗略的分析，结果似乎很难与实际情况相符，例如，对铝而言，有20个单个正电子，另外仅有7个电子对，而理论上来说它们应该总是成对出现的。在现在计划进行的实验中，粒子将从很薄的板上发射，这应当能对这个问题做出判定。ft　　英文

应当指出的一个例子是，实验中观测到两个负电子和两个正电子都在铅板的同一点产生。这表明在时间和位置上偶然出现关联的两个电子对的概率是极低的，因此这个现象可以证明，即使能量像钍C″的γ射线那样低的光子偶然也会产生簇射，如同宇宙线所具有的普遍特征一样[9]。ft　　英文

宇宙线效应

我们最近在17,000高斯的磁场中拍摄的立体照片显示，大量多于30个电子的簇射（有些是正电子，有些是负电子）产生于穿过云室放置的铅板上。从照片中可以清楚地看到，在所有观测到的产生簇射的情况中，仅非电离粒子产生簇射。同样在仅为800高斯的磁场中拍摄的照片也显示了许多通过非电离粒子的碰撞，从铅板发射出单个负电子、单个正电子、电子对和三电子组的例子，它们的能量量级仅为1或2兆电子伏。这些低能的发射物在各个方面都与那些钍C″的γ射线产生的发射物一致，并且无疑是由于低能光子产生的。这些电子效应不能归属于普通的中子，因为对这个能区的中子的大量研究已经表明，它们的吸收会导致核的发射，而不是电子的或簇射的形成。在一张照片中有几个这样的小型电子簇射的出现，这也是在云室之上出现簇射的证据，这一现象揭示了一个新的事实，即在宇宙线的吸收中，除了电子簇射之外，在某些情况下，还会产生大量次级光子的喷射。密立根、尼德迈耶、皮克林和笔者[19]于1933年11月在美国国家科学院的会议上给出了此结论的相关证据，结合这些照片所做的一个全面的讨论也将于近期发表在《物理学评论》上。在其中一个示例中，超过80个同时发射的低能电子的径迹被拍摄下来，它们在云室中的位置和方向表明，它们一定产生自包围云室的材料的许多分立中心，因此这一定是由次级光子的喷射而产生的。ft　　英文

由快电子（正的或负的）产生电子对或形成簇射是相当罕见的事件，这可由以下事实说明，观测到多于1,000个快电子穿过1 cm厚的铅板，仅有一例确定是从铅板上由快电子射出的电子对，而大量的次级负电子径迹似乎均为在铅板中与核外电子近距离碰撞的结果。因此快速电子的即时次级发射似乎是由大量负电子构成的，而正电子仅是不多见的情况。ft　　英文

由于我们所用的磁场很强，因此除了由光子碰撞产生的簇射中发射出的极少量的电子没有发生偏转外，可能所有的电子都发生了偏转。通常在一个簇射中可注意到，从铅板发射出的正电子数目与负电子数目明显不对称。其中一个簇射中，有7个正电子和15个负电子，而在另一个簇射中，则有15个正电子和10个负电子。这些效应遭遇的唯一困难是，很难与入射光子产生电子对的狄拉克理论取得一致。很可能这些效应表明存在一类核反应，其中核的作用不仅是催化剂而是比之更加活跃，例如，正电荷和负电荷从核中发射出来，然后作为自由正电子和负电子出现在簇射中。然而，这两种观点本质上的区别可能只不过是，其中一个认为核是可以改变其电荷的，而另一种观点则认为其电荷不会改变。ft　　英文

为了研究在轻元素中的核吸收，于是将铅板替换为1.4 cm厚的碳板并成功地拍摄了400多张照片。许多照片显示出，位于云室上面的铅块中会产生簇射，但在所有情况下都没有在碳板上观测到次级簇射。这与钍C″的数据得出的结论一致，即与铅相比，碳核经由簇射产生吸收光子的概率较小。ft　　英文

电子对理论的结论是，在负电子适当稠密的环境中（如同在普通物质中存在的那种），正电子与负电子有很高的概率相互结合，从而导致两种粒子的湮灭，而它们的固有能量和动能将转换为辐射。尽管这种理论目前还不完善，但它表明发生湮灭的平均自由程通常大于正电子的射程，因此，当正电子通过物质时，这类湮灭应当可以通过具有大约0.5兆电子伏能量的量子以及少量具有约1兆电子伏能量的量子的出现来证实[20]。格雷和塔兰特[18]关于钍C″的γ射线的散射实验显示，存在具有这种能量的次级辐射，但在最近的一些硬γ射线的散射实验中却没有观测到次级辐射，这可以归因于正电子的湮灭。我们的宇宙线照片表明，在电子簇射中存在大量的次级光子，其中许多是在这个能区中，但还不能确定它们是否部分地产生于正电子的湮灭。在最近的两篇文章中，约里奥[21]和蒂博[22]报道了如果次级光子是由于正电子的湮灭产生的，则观测利用预期能量的次级光子人工产生正电子的实验是可行的。通过用负电子控制实验，他们表示，与相同数量的负电子相比，一束正电子与物质碰撞时所产生的光子要多很多。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；张焕乔　审稿）

* 本演讲发表于1933年12月27日在美国马萨诸塞州波士顿举行的美国物理学会会议的核物理分会上。