正常的原子模型是由卢瑟福在1911年提出的原子有核模型确定下来的，从那时起在30多年内，科学家们发现的各种元素的原子结构都是由原子核和其外围的沿定态轨道分布和旋转的电子组成。这种原子结构在科学界得到公认，并且规范下来，但是到了40年代末一种反常的原子结构被发现了，这就是围绕原子核沿定态轨道旋转的不是电子，而是被另一种负粒子—负μ子取代了，因而大开了物理学家们的眼界，它是在美国普林斯顿大学任物理研究教授的张文裕在1948年首次发现的，从而开拓了奇异原子研究的领域。

一、什麽是奇异原子

　  与传统的原子由原子核和绕原子核旋转的电子构成的原子结构不同，奇异原子是一种负粒子绕一种正粒子作为核心旋转的“原子”结构，它是在张文裕发现μ子原子之后逐渐发展而形成的新原子结构概念。例如，1952年卡马克发现了由负π介子绕原子核旋转的π介子原子，后来有些人又发现了电子绕正μ子旋转的μ子素、负K介子和负Σ超子及反质子（带负电荷的质子）绕原子核旋转的奇异原子等。

与其他奇异原子相比，μ子原子的寿命比上述的几种奇异原子的寿命长百倍。由于μ子质量为电子的207倍，按照库仑定律它的外层轨道尺寸也比电子外层轨道的尺寸小207倍，因此原子直径相应地小207倍，它的内层轨道可能穿过原子核，一旦被核俘获会形成μ子分子，这对于研究物质的结构、固体物理和化学有重要的意义。此外，从μ子原子发现后，出现了μ子物理学科，从70年代后有了很大发展，如美国的诺贝尔物理学奖获得者休斯(V.W.Hughes)和美籍华人女物理学家吴健雄在1977年出版了一套《μ子物理》专著，其中在吴健雄写的第一章中特地指出张文裕在1949年“用云室研究停止宇宙线中的负μ子时发现了μ子原子”，并说：“第一个观察到μ子原子产生X射线的是张文裕的报告”。从吴健雄的这个说法可以看出，张文裕发现μ子原子得到国际科学界的承认，而且他们出版的这套书就清楚地说明μ子原子的发现导致μ子物理学科的出现。

二、μ子原子是怎样发现的

　  普林斯顿大学物理系巴尔末实验室主任惠勒(J.A.Wheeler)于1949年在《物理评论》杂志上发表的文章中指出，“有趣的是，介子的能级和能级的跃迁的第一个实验证据是张文裕教授给出的”。那么，张文裕教授是怎样发现μ子原子的呢？

　  为了回答这个问题，应当说明介子的预言和发现情况，因为μ子在早年被称为μ介子，而介子是质量介于电子和质子之间的带电粒子。1935年，日本物理学家和诺贝尔物理学奖获得者汤川秀树为了解释原子核内的强相互作用的传递问题，提出原子核内存在介子，介于传递强相互作用。但是在1937－1947年间，物理学家们先后在宇宙线中发现了μ子(当时称为宇宙线介子)和π介子，并发现π介子能衰变成μ子。第二次世界大战之后，在美国流传苏联用电磁透镜聚焦了宇宙线中的μ子，它们能够产生强相互作用而爆炸，因而制成了爆炸力极强的新式武器。当时已进入冷战时期，这在美国军事界和政界引起了恐慌，因而海军部授权普林斯顿大学进行该项研究，物理系主任史迈斯(H.Smyth)和巴尔末实验室主任惠勒就把这项工作交给了张文裕(191O－1992)。

张文裕认为用云室法比电磁透镜法要好得多，就自己制作了一种新的云室，这个云室的特点是自动的和多路符合的，因此是用计数器自动控制的和全时工作的，可以延迟控制，定时清除，以便随时可靠地操作。此外还需保持温度和气压的稳定性，以便使进入云室的μ子能够作为云雾凝结的核比较单纯和一致，以便增加操作和观测的稳定性。张文裕是云室发明地——卡文迪什实验室出来的核物理博士，经过严格的云室使用和制作训练，所以他采用和制作的云室是有坚实的经验基础的。

实验的仪器原理如图所示，宇宙射线中的μ子通过1米厚的铅块，大大放慢了速度，然后通过符合计数器和反符合计数器多次后，进入云室和金属箔片上，箔片数以能使μ子停止在箔片中为准。再后，箔片的原子受到μ子作用，产生定态能级轨道跃迁，释放出光子(以γ射线形态出现)，光子再与箔片作用而放出电子对，由云室荧光屏上显示出径迹，而被观测到。μ介子吸收实验仪器示意图（略 ）由于云室做成可放置金属箔片的，张文裕用的箔片为铝、铁和铅的，厚度为0.002英寸(0.051毫米)，用自动化的云室可以自动地拍照宇宙线中负μ子被箔片停止的情况。他先后拍了几万张照片，其中有效的达5000对张，其中的一张如图所示。从照片上可以看出没有一个介子被金属箔停止而产生介子引起的爆炸现象，因而证实美国的上述流传是没有根据的。此外，他还发现在箔片上没有由于负μ子的打击而放出电子来，这个现象说明负μ子不参与强相互作用，而是一种弱相互作用的粒子。从而证明负μ子并不像过去费米和惠勒说的具有强相互作用，也就是说它是轻子而不是强子(注)，从而搞清楚了μ负子的本质和性质。（照片略）

　  1949年8月，张文裕在《物理评论》杂志上发表了《用云室研究铝、铁、铅箔对介子的吸收》的论文，他指出负μ子与这三种金属的原子核作用时，只将一小部分能量给了原子核，而把大部分能量传给一种中性粒子（很可能是中微子）并由它们带走，从而引起了核内粒子的重新安排。他说减慢的负μ子在靠近原子核时，核外的定态轨道之间有明显的粒子跃迁发生，在跃迁时放出γ射线或光子。这个发现说明，负μ子进入原子后取代了电子并绕原子核旋转，但是轨道直径小多了，它们的定态轨道发生跃迁就放出了光子，光子与金属箔作用以正负电子对放出而被观测到。宇宙线中的正μ子与原子核的电性相同而被排斥开，不会被原子核俘获，也不会形成定态轨道上的粒子，所以不必予以注意。张文裕教授1949年5月在华盛顿举行的美国物理学会的会议上报告过他的研究结果，根据他的计算，得出负μ子的定态轨道及其跃迁与释放能量之间的关系，给出了一系列有关的具体数据。此外，他还在1949-l950年发表了几篇文章，对铝、铁、

铅等停止负μ子的实验及其与γ射线的关系做了详细的定量说明。

（张文裕发现μ子原子用的云室装配图，略）

　  1954年，张文裕对自己的μ子原子研究做了系统的总结，发表了《海平面介子停止在铅和铝箔上》的长篇论文，并且是在著名的《物理评论》上发表的。第一部分说明他的实验花了2600有效小时，仅铝箔实验就达 1500有效小时，据他本人向笔者介绍实际用的时间比这些要多3－5倍，拍照片5000多对张，从中可看出他为了发现μ子原子付出了多么艰辛的劳动。

　　　  三、实验结果的验证

　    张文裕在1954年的上述文章中指出，负μ子被原子核俘获并在核外轨道之间跃迁的想法是惠勒最早提出的。他说几乎每俘获一个μ负子就放出一个光子，因而从能谱上可以发现负μ子在轨道上跃迁。第一个验证是由雷恩瓦特(James Rainwater)1953年在加速器实验中证实的，系用加速器发射的负μ子束和碘化钠能谱仪，通过μ子原子发出的X射线谱线进行测量，得到明确的确认。1964年以后，有些国家的研究组用半导体锗和锂检测器以很高的精度做出严格的验证，得到国际高能物理学界的公认。

　    1960年，休斯发现了电子可以绕正μ子旋转的奇异原子，称之为“μ子素”，又用正电子绕负μ子旋转而发现“反μ子素”，从而将奇异原子的类型大大拓宽。美国另一物理学家霍夫斯达特(R.Hofstadter)用直线加速器产生高能电子来研究原子核，提出质子和中子都会有一个由介于构成的核心，在1961年获得诺贝尔奖。我国高能物理学家李峨淼在1972年留学美国归来时，曾对张文裕说：“你发现的μ子原子，你种下的这棵树，已经开花结果了！”

　　  四、迟到20年的承认

　　  张文裕教授1910年生于福建省惠安县，少年时学习勤奋，成绩优秀，由于家境贫寒和逃婚，求学十分艰难。中学毕业后，由于校长的支持并向燕京大学物理系主任谢玉铭推荐，利用在船上打工偿付路费，到了北京，终于考入了该大学物理系学习。每逢假期，卖掉铺盖去内蒙古打工，挣下学期的学费，到三年级时边做助教边求学，毕业后又读了3年硕士，然后考取庚子赔款赴英国剑桥大学读博士学位，在卢瑟福指导下学习核物理，于1938年获博士学位后回国，在西南联大任物理教授。1943年，到美国普林斯顿大学任物理研究教授，在1948—1949年做出了上述发现。中华人民共和国成立后，担任旅美中国科学家联合会主席的张文裕想回国投入祖国建设，受麦卡锡主义横行的迫害和限制，几经曲折，才终于由中美在波兰大使的定期会晤中商定，绕经欧洲归国。他回国后，先后任近代物理研究所和原子能研究所的研究员、室主任和副所长，1973年建立高能物理所就是出于他的动议并任第一任所长，直至退下来任名誉所长。他是中国宇宙射线和高能物理研究的主要奠基人。张文裕由于麦卡锡主义迫害不但多年受到限制、审查，而且连他发现的μ子原子在1954年后也不能被提到和流传，直至1972年中美恢复邦交和他在1973年作为中国科学家考察团成员赴美后才解冻。每当张先生回顾这段往事时，眼中总会泛着泪花，使笔者甚为感动，为这位出身贫寒和顽强攀登科学高峰的科学家的科学精神所震撼。

　  张文裕教授于1992年11月5日病逝于北京医院。

注：弱子指参与弱相互作用的粒子，这里指负μ子是参与弱相互作用的弱子。强子指参与强相互作用的粒子，这里指负μ子不是参与强相互作用的强子。

（摘自阎康年著“万物之理”一书）