与诺贝尔奖擦肩而过，硬 γ 射线的反常吸收和特殊辐射的发现者

赵忠尧是我国著名的物理学家，被誉为中国核物理事业的先驱者和奠基人之一。他在美国加州理工学院攻读博士学位期间，做出了一个重要的物理发现，即硬 γ 射线在物质中的反常吸收和特殊辐射，这是正负电子对的产生和湮灭过程的最早实验证据，对量子电动力学理论的发展有重要意义。

硬 γ 射线是指能量高于 1MeV 的 γ 射线，它是一种高能电磁辐射，可以穿透物质。当硬 γ 射线通过物质时，它会与物质中的原子核和电子发生相互作用，导致射线的能量和方向发生变化。这种变化可以用吸收系数和散射截面来描述。吸收系数表示射线在单位厚度的物质中能量损失的比例，散射截面表示射线与物质原子发生散射的概率。

根据康普顿效应，硬 γ 射线与自由电子发生散射时，会将部分能量转移给电子，使电子获得动能，并使 γ 光子的能量降低和方向改变。康普顿效应是经典电动力学理论的一个重要结果，它可以用克莱因-仁科公式来计算吸收系数和散射截面。但是，在 1920 年代末，量子力学已经开始取代经典力学成为物理学的主流理论，而量子力学对于硬 γ 射线与物质的相互作用有更深刻的解释。

1928 年，英国物理学家保罗・狄拉克提出了一个描述电子运动的方程式，即狄拉克方程。这个方程式不仅符合相对论原理，而且也符合量子力学原理。狄拉克方程有一个惊人的结果，就是它预言了存在一种与电子具有相同质量但相反电荷的粒子，即正电子。正电子是一种反物质，它与电子相遇时会相互湮灭，并放出两个能量相等且方向相反的 γ 光子。

狄拉克方程还预言了另一种可能性，即一个高能 γ 光子在强磁场或重原子核附近时，会分裂成一个正负电子对。这两个过程实际上是可逆的，并且都满足能量守恒和动量守恒定律。但是，在 1928 年时，正电子还没有被实验观测到，因此狄拉克方程也没有得到广泛的认可。

赵忠尧到加州理工学院攻读博士学位时，并不知道狄拉克方程和正电子的存在。他只是按照导师密立根教授的安排，用放射性元素铊 208 作为辐射源，测量硬 γ 射线（能量为 2.6MeV）在不同物质中的吸收系数，并用克莱因-仁科公式进行计算。他发现，当硬 γ 射线通过轻元素时，实验结果与理论公式相符，但当通过重元素时，出现了反常现象，实验结果比理论公式大了约 40%。这说明，除了康普顿效应外，还有其他的机制导致硬 γ 射线的能量损失。

为了探索这种反常吸收的机制，赵忠尧设计了新的实验，进一步研究硬 γ 射线与物质的散射辐射。他用高气压电离室和真空静电计进行测量。他发现，硬 γ 射线被铅散射时，除了康普顿散射外，还有一种特殊的光辐射出现。这种特殊辐射的强度是大致各向同性的，并且每个光子的能量与一个电子质量的相当能量很接近。赵忠尧将这个实验结果写成论文，并于 1930 年 10 月在《物理评论》杂志上发表。

赵忠尧的这两篇论文引起了国际物理学界的注意。许多物理学家开始重新思考硬 γ 射线与物质的相互作用，并寻找正电子的存在证据。1932 年，赵忠尧的同学安德森用云室做宇宙线的实验，在照片中发现了一条和电子径迹相似但在磁场中弯曲方向相反的径迹，从而发现了正电子。安德森还观察到正电子与电子相遇后消失，并放出两条方向相反的径迹，这就是正负电子对湮灭过程。安德森于 1936 年获得诺贝尔物理学奖。

赵忠尧虽然没有直接观测到正电子，但他却是第一个发现了正负电子对湮灭过程的实验迹象。他观测到的特殊辐射就是由正负电子对湮灭产生的两个 γ 光子。他还观测到的反常吸收就是由高能 γ 光子分裂成正负电子对所引起的能量损失。他的实验结果为后来安德森等人发现正电子提供了重要的线索和依据。赵忠尧可以说是发现正电子的先驱。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang