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核科学群英谱(18):“中国的居里夫妇” 钱三强先生、何泽慧先生
2022-8-23 16:11 |系统分类:科普集锦
作者:赵玉民
“居里夫妇”是现代科学伉俪的代名词,居里夫妇戮力同心、勤奋工作,是原子核科学领域的先驱。在中国也有一对科学伉俪,他们早年负笈海外,不仅在原子核裂变物理领域合作取得了里程碑式的科学成就,而且都具有十分深厚的家国情怀。他们在回国后为中国核科学事业做出了重大贡献,长期以来被誉为“中国的居里夫妇“。 很巧合的是,他们又是第二代“居里夫妇”约里奥-居里 [让·弗雷德里克·约里奥-居里(Jean Frédéric Joliot-Curie,1900.03.19 – 1958.08.14)、伊莱娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie,1897.09.12 – 1956.03.17),见本文注解 1] 的学生。
他们是本文的主角 --- 钱三强(1913.10.16 - 1992.06.28)、何泽慧(1914.03.05 – 2011.06.20) 两位先生。
1、早年时光
本文的两位主角都出身名门,本文为了连贯性和可读性强,许多相关人物放在文末作为注释予以说明,在正文中一般仅提及姓名。
钱三强祖籍浙江湖州,祖父钱振常(1825-1899)为清朝同治年间进士[见本文注解 2],父亲钱玄同(1887.09.12 – 1939.01.17)是中国近代著名的语言文字学家[见本文注解 3];钱三强母亲徐琯贞(1886-1949.02.25)的祖父徐树兰 (1838-1902) [见本文注解 4]为绍兴近代名人,钱三强外祖父徐元钊(1861 – 1926)是清末民初画家[见本文注解 5]。钱玄同有 6 个孩子,其中三子早夭[见本文注解 6]。钱三强本名钱秉穹,寓意为“秉性纯良、志存天穹”,在就读于孔德中学期间改名为钱三强[见本文注解 7]。钱三强 1930 年考入北大预科、1932 年考入清华物理系。1933 年钱玄同为鼓励钱三强努力学习,为他题字“从牛到爱” [见本文注解 8]。在清华读书期间钱三强师从吴有训先生[见核科学群英谱(17):中国本土近代物理研究的先驱 吴有训,https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1351278.html ]等名师,大学毕业论文是吴有训先生亲自指导的。1936 年钱三强大学毕业后担任北平研究院物理研究所所长严济慈(1901.01.23 – 1996.11.02)先生的助理 [与严济慈合作发表一篇论文: Band Spectra and Energy of Dissociation of the Rubidium Molecule, Physical Review 52, 91 (1937)],次年考取公费留学法国。然而在遭遇国难家患之际(彼时刚刚爆发七七事变、父亲钱玄同疾患加重),钱三强欲留国内;钱玄同先生鼓励钱三强出国深造将来”报效国家”[见本文注解 8]。钱三强在7月中旬去居里研究所学习”镭学“。
何泽慧出生于苏州,祖籍山西灵石,她的父亲何澄(1880.05.31-1946.05.11,见本文注解 9] 在1912年退出军界后定居苏州。何泽慧的外祖父王颂蔚(1848 – 1895)曾在清末军机处供职[见本文注解 10],外祖母王谢长达(1848 – 1934.12.25)是一位近代教育家[见本文注解 11]。母亲王季山(??-1949.12.13)在振华女子学校毕业后在上海中西女校读书时与何澄结婚,养育的 8 个孩子(不包括早夭二子)--怡贞、泽明、泽慧、泽涌、泽瑛、泽源、泽诚、泽庆--都长大成材。何澄经常对孩子们说:”若想中国人不受外国人欺负,必须把外国的强项学到手,我就是倾尽家资也要送你们出去“。何泽慧在振华女校毕业后去清华读物理系[见本文注解 12],1936 年以优秀成绩毕业。同年 9 月去德国柏林高等工业学院学习“弹道学”[见本文注解 13]。
2、海外留学-1 :攻读博士学位
钱三强在 1937 年 7 月离开北平经上海乘轮船赴法国,9 月上旬到巴黎,很快在严济慈引荐下去居里实验室见到了伊莱娜·约里奥-居里,10 月份开始工作,不久他被介绍给伊莱娜的丈夫让·弗雷德里克·约里奥-居里,并在那里改建一台云雾室,钱三强在清华受吴有训先生影响养成的动手习惯和基础技能在此派上了用场,改建工作顺利完成;后来这台云雾室在一些实验中发挥了重要作用,因此作为重要纪念藏品放在博物馆并标注“法兰西学院内由钱三强改建的威尔逊云雾室(1938 年)”。1938 年钱三强还见证了核裂变发现的全过程--约里奥-居里夫妇其实先于哈恩和迈特纳合作组获得了裂变实验信息然而没有理解这个现象的本质,哈恩和迈特纳后来居上、捷足先登提出铀原子核受慢中子轰击的裂变图像[见本文注解 14]。钱三强在约里奥-居里夫妇共同指导下于 1940 年初完成博士论文《含有氢物质在 Po-alpha 粒子轰击下所产生的质子群》,4 月完成答辩(同年 6 月份德军占领巴黎,钱三强曾有二周战乱逃亡,后被逼回巴黎)。钱三强在 1940 年 10 月份获得居里-卡内基奖学金,同年 11 月底离开巴黎;他在里昂大学滞留期间指导一名大学生毕业论文时,因为受条件限制只好用照相乳胶纪录带电粒子,意外为后来原子核乳胶工作打下了基础。钱三强在 1942 年底又回到巴黎继续在居里实验室、法兰西学院核化学实验室工作。彼时钱三强已有固定经费资助,研究进入一个新阶段,1943 年他发表报告和论文 6 篇,1944 年 4 篇,1944 年底晋升为法国国家科研中心研究员。
何泽慧在 1936 年 9 月中旬到了德国柏林,1937 年 5 月,何泽慧与姐姐何怡贞(彼时刚获得博士学位)一起拜访了光谱学专家帕邢教授(Louis Carl Heinrich Friedrich Paschen,1865.01.22-1947.02.25) [见本文注解 15],后来帕邢对何泽慧在德国留学期间一直多有关照。何泽慧在柏林高等工业学院的具体指导教师是卢瑟福的学生汉斯-盖革 (Hans Wilhelm Geiger, 1882.09.30 – 1945.09.24,盖革计数器发明者)。她于 1940 年 5 月顺利获得博士学位,论文题目为《一种新的精确简便测量子弹飞行速度的方法》。然而因为欧洲战事突起,无法回国,为了维持生计以及尽可能学习德国先进技术,何泽慧进入西门子公司的弱电流实验室研究磁性材料,在那里她结识了拉贝先生(John Heinrich Detlef Rabe, 1882.11.23 – 1950.01.05)[见本文注解 16],拉贝让她看了日记和保存的南京大屠杀照片,讲述了他所目睹的惨状,说“日本侵略军没有人性”。
1943 年上半年,何泽慧委托钱三强与家人通信(彼时德国与中国因战事断邮,这也是二人大学毕业后第一次联系),7 月底何泽慧经钱三强收到家中回信。1943 年 11 月起,何泽慧受洪堡基金资助[见本文注解 17]去海德堡核物理研究所在波特教授(Walter Bothe, 1891.01.08 – 1957.02.08, 因发明“符合法”等 1954 年被授予诺贝尔物理奖)指导下作博士后,开展核物理实验研究。她建造云室并研究正负电子弹性碰撞现象。1945 年何泽慧研究锰-52 正电子能谱,观测到 178 例正负电子弹性碰撞事例;在此前实验中由于无法辨别入射电子碰撞轨迹和反冲电子轨迹,无法观测这种事例(她还看到了三个正电子湮灭事例,与理论符合很好)。她把几张径迹照片和结果寄给了彼时正和她恋爱中的钱三强,钱三强出席会议时自作主张向会议报告了这个结果,受到与会者高度重视。英国《自然》期刊在 1945 年 11 月 3 日报道会议时谈到了这件事,甚至用了“一项科学珍闻”称赞这个发现。
1946 年间何泽慧在正负电子的弹性散射与湮灭方面发表三篇论文,其中 2 篇在德国期刊(其中 1 篇与波特合作、1 篇独立作者),一篇在英文期刊Physical Review 期刊[独立完成,Vol.70, 224(1946)]。除此之外她还以独立完成一篇 Cl-34 衰变的论文,发表于 Physical Review 期刊[Vol. 70, 782 (1946)]。钱三强在同一时期(1945 到 1946 年上半年)发表论文和实验报告 8 篇,其中 2 篇独立完成的 Physical Review 论文发表于 1946 年的元旦[Vol. 69, 38 (1946); Vol. 69, 39(1946)]。彼时钱三强和何泽慧在学术上可谓你追我赶、并驾齐驱。
1946 年 4 月,何泽慧结束在德国的工作到巴黎与钱三强结婚,约里奥-居里夫妇参加了钱三强-何泽慧的婚礼,让·弗雷德里克·约里奥-居里说:“钱三强先生和何泽慧女士都是做原子核物理的,这种结合将来一定会在科学事业中开花结果。大家知道,居里先生和夫人开了一个先例,我和伊莱娜也受到‘传染’。我们感到这种传染对科学是非常有利的”。
3、海外留学-2 :“三分裂、四分裂”现象的发现
1946 年夏钱三强去英国剑桥参加国际会议时,来自卡文迪许实验室学者展示裂变径迹的核乳胶照片中出现了一个三叉形状的径迹,报告人对此未作解释,只是说那条径迹是 alpha 粒子而且与裂变无关,其他与会者没有注意此事。这时只有钱三强是一个有心人,他在 1939 年就目睹了原子核裂变现象的发现经过,对这个径迹很有兴趣。钱三强在会议后回到巴黎马上安排二位助手做类似实验,何泽慧也参加了这个工作。经过几个星期的实验,他们找到了许多三叉径迹事例。他们利用高倍显微镜对三叉径迹进行精细观测,发现多数情况下三径迹处于同一平面,其中二条短而粗,另一条则细而长,由此分析前两个属于中等质量的裂变产物,第三个是质量比较轻。其中第三个粒子不可能是衰变产生的 alpha 粒子,因为径迹比衰变产生的 alpha 粒子径迹射程长得多,说明它的能量远高于 alpha 粒子衰变能量,特别是三条径迹有共同的起点。因此这是一种新现象。根据让·弗雷德里克·约里奥-居里的建议,这一现象被称为三分裂(ternary fission)。这个重要研究成果以《俘获中子引起铀的三分裂》于 1946 年底发表在《法国科学院公报》,文章第一作者为钱三强,何泽慧作为合作者(第三作者)。1946 年 11 月底,钱三强和何泽慧共同观测到一个新型的三叉事例,与以前二重一轻的径迹不同,这个事例三条径迹都比较短而粗,应该都是相对比较重质量的裂变产物径迹。
紧接着,何泽慧又观测到一个四分叉径迹,说明存在四分裂现象。这张四分裂核乳胶照片 2011 年用作《中国现代科学家(5)》纪念邮票“核物理学家钱三强”的背景图。这个成果在三分裂成果发表半个月后以《铀四分裂的实验证据》为题刊登在《法国科学院公报》上,何泽慧为第一作者,钱三强作为论文合作者(第二作者)。
此后他们快马加鞭,经过艰苦细致努力,完成了《铀三分裂与四分裂的能量与几率》论文,发表于 1947 年 1 月底的《法国科学院公报》上。在这篇文章中他们计算出三分裂与二分裂之比大约为 300 分之一(即大约千分之三),而四分裂概率小于万分之二。又过了一个月后,钱三强和何泽慧等对于三分裂现象做了理论解释,成果发表在美国《物理评论》上;这方面系统讨论于 1947 年 6 月发表在英国《自然(Nature)》期刊。钱三强在 1947 年 3 月底还独自完成论文《论铀的三分裂机制》,在实验基础上经过计算得出三分裂现象中的质量、能量、角分布等关键数据,并做了很多定性预言,发表在《法国科学院公报》(该领域经典论文之一)。这项成果在科学界甚至社会上引起了很大反响,许多报纸甚至中文报纸如《大公报》、《新民报》也发了专题新闻,称赞钱三强和何泽慧为“中国的居里夫妇”(见《何泽慧传》中的“何泽慧年谱”,第 223 页)。
1947 年春让·弗雷德里克·约里奥-居里在世界科学工作者协会的会议上,亲自宣布三分裂、四分裂成果,并评述说:“这是第二次世界大战以后物理学一项有意义的工作”。那么这个成果的重要意义何在呢?根据钱三强先生本人的说法[见本文注解 18],”它不但解释了裂变反应的复杂性和多样性,而且提供了研究处在断裂点附近原子核各种特性的可能性,而这是很重要的,因为没有别的可用的替代手段“。钱三强还解释说,“有了三分裂,第三个带电粒子正好是在断裂的瞬间发射出来的,它本身的质量、电荷、能量和角分布,反映了断裂点原子核的各种参量。换句话说,在这个轻粒子身上携带着断裂点原子核的许多信息。因此说,它是一个有效的、直接的探针” [见本文注解 19]。
这个成果发表后很快被国际同行所知,然而最初一段时间有些实验室对此持疑问甚至否定的态度[像康普顿效应那样, 见 https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1351278.html], 有些同行为此专门去巴黎实地看了钱三强、何泽慧原始资料。 事实胜于雄辩,随着时间推移这个成果逐步被学科领域所认可。
1947 年夏天,钱三强升职为法国国家科学研究中心的研究导师,1985 年,获得“法兰西荣誉军团军官勋章”的殊荣。
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