1951年——1960年

瓦尔顿（Ernest Thomas Sinton Walton, 1903-1995）和科克罗夫特（Sir John Douglas Cockcroft, 1897-1967）因利用人工加速的亚原子粒子进行原子核嬗变的开创性工作，共同分享了1951年度诺贝尔物理学奖。

 科克罗夫特（左图）和瓦尔顿（右图）在剑桥卢瑟福实验室工作时，巧妙地把高压变压器、电压倍增回路和整流管安装在一个四级系统中，建成了能产生60-80万伏特高压的加速装置，该装置被命名为“科克罗夫特-瓦尔顿加速器”。他们把加速后的质子射向锂靶，在硫化锌屏上观察到了明亮的闪烁现象。这是因为，高能质子轰击锂原子核，使锂原子核嬗变为两个氦原子核（即a粒子）：

理论上认为，反应所产生的两个a粒子带有相等的能量并向相反方向飞去。为了证实这一点，他们使用威尔逊云雾室观测a粒子的径迹，然后根据a粒子的射程求出它们的能量，结果确实与理论预言符合。

 科克罗夫特和瓦尔顿在剑桥卢瑟福实验室完成的这项实验，是人类第一次通过完全由人工控制的方法使原子核发生嬗变。在这个反应中释放出的巨大核能为验证爱因斯坦质能关系式提供了第一个重要的实验依据。另外，这个实验还证实了伽莫夫对入射粒子进入核内的几率的估算。这些入射粒子尽管受到了核电荷的排斥，但是它们仍能深入原子核的内部。现在，人们公认这个实验是科学史上的一个里程碑，它促进了回旋加速器及其他加速器的发展，开创了原子核物理的新纪元。

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珀塞尔（Edward Mills Purcell, 1912-1997）和布洛赫（Felix Bloch, 1905-1983）因发展核磁精密测量的新方法及其有关的发现，共同分享了1952年度诺贝尔物理学奖。

 珀塞尔（下图）认为，氢原子中的质子和电子，由于有自旋，其行为就象磁铁。在吸收或发射一定的能量时，这两个小磁体只能向某一确定的方向变化。为了测量这些能量的转移，珀塞尔将原子置于高频线圈的中心，再将这一线圈置于一个磁铁的强磁场中，这样,强磁场使微小的核磁体整齐排列，然后，珀塞尔通过无线电波的作用改变它们的方向，使原子核随着无线电波按节奏“跳舞”。通过记录允许原子吸收能量的无线电波的频率，就找到了使原子核重新排列所需的能量，因此也就找到了核的磁矩。

 布洛赫（右图）也独立地观察并测量了核磁共振。1946年，布洛赫提出了他的高精度测量核磁矩的方法：“核感应”方法，其数学公式被称为“布洛赫方程”。布洛赫设想，在共振条件下，原子核的总磁矩与交变磁场成一有限的角度并绕恒定磁场作进动。他把观察到的信号看作是感应电动势。这样，原子核就变成了微型无线电发报机，而布洛赫收到了它发射的信号。由示波器屏幕上条纹的方向便可知道核的旋转是顺着磁场方向还是逆着磁场方向，进而便可推算出核的磁矩。虽然珀塞尔和布洛赫的实验方法不一样，但是从物理意义上讲，他们的想法是一致的。

 核磁共振方法不仅在核物理研究中起着重要作用，而且在科学技术上也有着广泛的应用。例如，核磁共振分析可以用来探测物质的微观结构和各种相互作用；核磁共振人体成像有望成为诊断疾病的有力工具。

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泽尔尼克（Frits Frederik Zernike, 1888-1966）因论证相衬法，特别是发明相衬显微镜，获得了1953年度诺贝尔物理学奖。

显微镜中所观察的许多物体，如生物切片、油膜和位相光栅等，均具有较高的透明度。光波通过这些物体时，只改变入射光波的位相而不改变它的振幅，这种物体称为“位相物体”。因为人眼只能辨别强度的差别，亦即振幅的变化，而不能识别位相的变化，因而用普通显微镜无法观察位相物体。1935年，泽尔尼克提（左图）出“相衬法”，指出对于因位相变化而产生的看不见的影响，可以转化为与之等价的可见的振幅变化，也就是通过空间滤波器将物体的位相分布转换为相应的振幅分布，从而大大提高了透明物体的可分辨性。泽尔尼克不仅给出了上述的理论分析，而且还制造了第一台相衬显微镜。光通过透明物体时是要慢下来的，为了把直接传播的光和被物体衍射的光区分开来，在聚光器的焦平面上放一环形光栅，并在两个物镜之间插入一个相板，使相板上的环形条纹与环形光栅的象恰好重合。这样，直接光全部穿过位相板上的环纹，而衍射光多半穿过纹道的外部，从而使直接光和衍射光之间产生了相差。如果相板做得能使入射光波延迟1/4波长，那么两波的峰及谷将会重合，这将给出大振幅的合成波，细节就会明显地呈现出来。

近代科学的发展，对显微镜提出了各种特殊要求，泽尔尼克发明相衬显微镜使人们有可能观测到普通显微镜无法观察的位相物体，这无疑是一项重要的进展。

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玻恩（Max Born, 1882-1970）因在量子力学方面的基本研究，特别是波函数的统计解释，博思（Walther Bothe, 1891-1957）因提出符合计数法以及由此取得的发现，共同分享了1954年度诺贝尔物理学奖。

 1926年薛定谔关于波动力学的论文发表以后，物理界曾一度认为：粒子和量子跃迁等概念应当全部放弃，但玻恩（右图）确信：粒子的概念不能简单地取消，应当找出使粒子和波相一致的新途径。他在几率概念中发现了衔接点，这就是量子力学中著名的波函数的统计解释：物质波在某一地方的强度与在该处找到它的几率成正比。物质波并不像经典波那样代表什么实在的波动，它实际上是一种几率波。几率波把物质粒子的波动性和粒子性正确地统一起来，并经历了无数实验的考验。

 博思（下图）的符合计数法是在盖革计数器的基础上发展起来的，所做的革新是利用两个计数管，使得只有电离碰撞在两个计数管中同时发生时，这两个计数管才会计数。他利用符合法来判断能量和动量守恒定律对光子和电子的每一次碰撞是否都有效，或者说这些定律是否是作为一种统计平均才成立。为了利用计数器研究被散射的a粒子和反冲电子之间是否符合，他与盖革考察了单个的康普顿散射，得到的结论是：能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效的。从此，符合法在宇宙线的研究中得到了广泛应用。1930年前后，宇宙线领域里的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明也为核物理、a射线和超声波等方面的研究提供了有效工具。

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兰姆（Willis Eugene Lamb, 1913-）因发现氢光谱的精细结构，库什（Polykarp Kusch, 1911-1993）（左图）因精密测定电子磁矩，共同分享了1955年度诺贝尔物理学奖。

 氢原子是人们最了解的原子之一，从氢原子的光谱线中人们掌握了有关电子的许多知识。如果用精确度为零点几埃的光谱仪来观测氢原子的光谱线系，得到的结果与玻尔理论和薛定谔方程预言的能级十分吻合。但是，改进实验方法，提高光谱仪的分辨率，就会看到氢原子光谱的精细结构。1928年，狄拉克指出：氢原子处在2S_1/2和2P_1/2两种状态时，应该具有相同的能量。兰姆（右图）采用微波共振方法，让微波通过处于一种状态的氢原子，使其转化到另一种状态。由于微波的能量被吸收了，因此这两种状态应该具有不同的能量。兰姆还利用微波共振方法直接测出了与这一能量差相应的频率：1077.77±0.01兆赫兹，后人把这个能级差称为兰姆移位。现在的理论认为，这一移位是由于量子化的电子场与电子场之间的高次相互作用引起的，即所谓的“辐射修正”。从同一实验得到的另一个重要测量结果是精细结构常数a的精确值，这是量子电动力学中出现的一个引人注目的无量纲数，当时兰姆测量得到的结果是a=1/(137.0365±0.0012)。

兰姆位移实验和电子、m子的反常磁矩实验一起构成了量子电动力学的三大实验支柱。

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肖克利（William Shockley, 1910-1989）、巴丁（Johm Bardeen, 1908-1991）和布拉顿（Walter Houser Brattain, 1902~1987）因研究半导体并发现晶体管效应，共同分享了1956年度诺贝尔物理学奖。

 真空电子管在无线电和微波雷达的发展中曾经起了巨大的作用。但是，到了40年代，随着电子技术的发展，它的体积大、重量重、功耗大以及预热起动慢等局限性表现得越来越突出。1945年美国贝尔电话实验室成立了以肖克利（右图）、巴丁（左图）和布拉顿（左下图）为核心的固体物理研究小组，专门从事半导体方面的研究，以探索一种既能克服电子管缺点又能起到放大作用的电子器件。肖克利在理论上预言：假如半导体薄膜的厚度与表面空间电荷层的厚度差不多，那么就可以利用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面流动的电流受到调制。巴丁也提出了一个理论：用表面阱去解释最初忽略的结果。布拉顿充分发挥他在实验方面的技能，与巴丁密切配合，发明了点接触性晶体管，这也是世界上第一个晶体管。大约一个多月以后，肖克利发明了结型晶体管，它避免了麻烦的金属接触，并通过控制杂质来产生N-P-N型和P-N-P型半导体的夹心面包式结构。于是，整流和放大就不是发生在表面，而是发生在晶体内部。半导体器件的体积仅为真空电子管的几十分之一，所消耗的功率仅为真空电子管的万分之一，但却具有真空电子管的绝大部分功能，而且其性能远远超过了真空电子管。从此之后，晶体管迅速地取代了真空电子管，被广泛应用到无线电、计算机、宇宙航空和工业生产的各个领域。晶体管的发明无疑是一项重大的突破，它开辟了电子器件的新纪元。

 顺便指出，巴丁在第一次获得诺贝尔物理学奖后仅数月，又和库珀、斯里弗一起解开了超导电性之谜，于1972年再次获得了诺贝尔物理学奖。这样，巴丁便成为历史上第一个在同一领域内两次获得诺贝尔奖的人。

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杨振宁（Chen Ning Yang, 1922-）和李政道（Tsung Dao Lee, 1926-）因发现在弱作用过程中宇称不守恒，共同分享了1957年度诺贝尔物理学奖。

 20世纪50年代粒子物理学中存在的“q-t 疑难”引起了许多科学家的注意。所谓“q-t 疑难”，指的是：实验上发现的q粒子与t粒子具有几乎完全一样的性质——相同的质量、相同的寿命、相同的自旋、相同的电荷……以致于人们不得不怀疑它们是否就是同一个粒子，然而它们在衰变时却表现出相反的宇称。当时所有的理论都无法解释这一疑难。1956年夏天，杨振宁和李振道一起，查阅了当时已有的与“宇称守恒”这个概念有关的实验事实以后，得出结论：和一般所确信的相反，在弱作用过程中并不存在“宇称守恒”的任何实验证据；如果“宇称守恒”定律在弱作用过程中不成立，那么q和t就应该是同一种粒子。同时，他们还建议，用b衰变等实验来验证他们的推测。几个月以后，哥伦比亚大学的美籍华裔实验物理学家吴健雄教授与美国华盛顿国家标准局的四位物理学家一起，用钴60的b衰变实验证实了在这种衰变过程中宇称确实不守恒。此后其他一些实验也证明了这个结论的正确性。

“宇称守恒”在弱作用中不成立是一划时代的发现，它很快导致在基本粒子领域中取得实质性的进展。1957年，拉比评论道：“就某种意义上说，一个相当完善的理论结构从根本上被摧跨了，我们不能肯定这些碎片将怎样再组合在一起。”

 杨振宁和李振道是首次获得诺贝尔物理学奖的中国血统的物理学家，虽然他们现已加入美国国籍，但他们仍时时关心着中国科学的发展，经常回国讲学，帮助中国培养高水平的科学人才。

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切仑科夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov, 1904-1990）、弗兰克（Ilya Mikhailovich Frank, 1908-1990）和塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm, 1895-1971）因发现并解释了切伦科夫现象，共同分享了1958年度诺贝尔物理学奖。

 切仑科夫（右图）效应是切仑科夫在研究发自镭放射源的辐射穿入不同的液体并被液体吸收时发生的现象中发现的。在切仑科夫之前，也有人观察到当辐射穿入液体时，从液体中会放射出微弱的浅蓝色的辉光，但是他们把它归结为荧光。然而切仑科夫认为，他观察到的不是荧光。通过观察穿入经过了两次蒸馏的水中的辐射，他排除了微小杂质产生荧光的可能性。当时，测量非常微弱的辐射的唯一有效的工具就是人的高度灵敏的眼睛。为了提高眼睛的敏感度，切仑科夫在每次实验之前都要在完全漆黑的环境中呆上一个小时或者更久。他发现，辐射沿入射方向被极化了，正是入射的辐射所产生的快速次级电子才是出现可见辐射的根本原因。通过采用发自镭放射源的电子单独照射液体，他验证了这一点。切仑科夫在1934-1937年间发表的论文给出了这种新辐射的一般性质。

 1937年，弗兰克（左图）和塔姆（右下图）对切仑科夫效应给出了理论解释。他们认为，切仑科夫发现的辐射是由于电子在介质中以大于光在介质中的速度运动时产生的，并给出了严格的数学描述。他们的理论导致了对切仑科夫效应的各种不同应用，特别是在核物理和高能物理研究方面的应用尤为重要。在高能物理中经常用到的切仑科夫探测器就是一例。这种仪器可用于确定高能带电粒子的存在及其能量，在某些情况下，还可以用于识别不同质量的粒子。1958年西格里和张伯伦发现反质子时，就使用了这种仪器。

 切仑科夫、弗兰克和塔姆是首次获得诺贝尔物理学奖的苏联人，他们获得的这一荣誉使国际上对苏联正在进行的高质量的实验和理论物理研究给予了权威性的承认。

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西格里（Emilio Gino Segre, 1905-1989）（右图）和张伯伦（Owen Chamberlain, 1920-）（下图）因发现反质子，共同分享了1959年度诺贝尔物理学奖。1928年，狄拉克创立了相对论量子力学，很自然地解释了电子的自旋性质，并预言了正电子（与电子质量相同、电荷相反的粒子）的存在。1932年，安德逊发现了正电子，这使得人们更加相信质子也应该有一个镜像粒子——反质子。1953年，美国加利福利亚大学的物理学家建成了一台能量为6.2GeV的高能质子同步稳相加速器，使人们寻找反质子有了新的途径。西格里-张伯伦实验小组用这台高能质子同步稳相加速器把能量为6.2GeV的质子射在铜靶上，产生了反质子。应当指出，由于出射束中的大部分粒子是质子、中子和介子，要从这么多的粒子中检测出反质子，需要相当高明的实验技巧。理论所预言的反质子的负电荷可以通过它在磁场中的偏转来验证，但要确定它的质量，至少必须对同一粒子测量两个独立的量：动量与能量或速度与射程。这个测量是利用磁装置和40英尺远处的切伦科夫速度选择计数来进行的。在照相乳胶中，由反质子轰击原子核所产生的爆炸蜕变的“星”形径迹证实了反质子的存在。这种从包含着许多其他粒子的出射束中辨别出极其稀少的反质子的高超实验技巧是张伯伦和西格里成功的标志。在用磁学方法分析的出射束中，30000个粒子中只有一个反质子。在可接受的极限误差范围内，找到了40个反质子事件以后，人们就认为反质子被发现了。 

由于人们期望自然界是对称的，认定存在反质子，因此西格里和张伯伦于1958年发现反质子后，1959年就被授予了诺贝尔物理学奖。

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格拉塞（Donald Arthur Glaser, 1926-）（左图）因发明气泡室，获得了1960年度诺贝尔物理学奖。 

鲍威尔的核乳胶技术和威尔逊的云雾室在检测低能粒子时很有用，但是，要探测和确定一些高能粒子，在技术上就要要求能在比威尔逊云室更快和更长的路径上做出记录，同时还要克服鲍威尔核乳胶技术中无法把中性粒子与事件准确联系起来的困难。气泡室是一种装有透明液体（如液体氢、氦、丙烷、戌烷等）的耐高压容器。它是利用在特定温度下通过突然减压使某种工作液体在短时间内（一般为50毫秒）处于过热的亚稳状态而不马上沸腾，这时若有高能带电粒子通过就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量的气泡，从而显示出粒子的径迹。根据径迹的长短、浓淡等数据，便能清楚地分辨出粒子的种类和性质。气泡室，因密度大、循环快，它所搜集到的各种信息大约是云雾室的1000倍。目前，在高能物理实验中，气泡室已基本上取代了云雾室。 

气泡室在高能物理研究中起了重要的作用，人们借助它与高能加速器联用发现了许多基本粒子以及100多种共振态。气泡室的发明是格拉塞对高能物理学做出的杰出贡献，它为粒子物理研究开拓了新的领域，在原子核科学技术史上也是一个创举。

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资料来源：高能物理所 厉光烈 李龙