纪念张文裕先生诞辰110周年( 二 )

▲在英国留学期间留影（左起张文裕、华罗庚、吴征铠、王竹溪）

1937年，抗日战争全面爆发。张文裕看到有关报道后，决心回国参加抗日。他写信给“英庚款”董事会申请提前回国，并向剑桥大学研究生院申请提前考试。

1938年11月，获得博士学位的张文裕立即结束了四年的留英生涯，抱着参加抗日救亡的强烈愿望回国。他先在四川大学逗留了一年，后转到西南联大任教。在西南联大，他开设了“天然放射性和原子核物理”的课程，对象主要是助教和研究生，其中包括杨振宁、唐敖庆、虞福春、梅镇岳等。由于课程内容前沿新颖，深受听课者的欢迎。在教课的同时，他还坚持在十分艰苦的条件下开展科研工作。最初，他和赵忠尧想制作一台静电加速器，但因设备基础太差，不得不半途而废。他只好自制盖革计数管进行宇宙线强度与天顶角的关系以及β衰变的禁戒跃迁的衰变规律研究。

二、火花室与张原子

“为了科学，我经历了人间的种种苦楚；正是科学，使我尝到了无穷的乐趣。 ”——引自张文裕自述

1943年，张文裕应美国普林斯顿大学的邀请，赴美从事核物理研究和教学工作。科研工作是在该校的帕尔摩（PaImer）实验室（后改名亨利实验室）进行，直至1949年。

▲留美期间的张文裕

在这七年时间里，张文裕做了许多开创性的研究工作，因其中两项重要工作：一项发明、一项发现，而闻名于世，载入物理学史册。

这项发明是从他与合作者罗森布鲁姆（S.Rosenblum）合作开始的。他们建立了一台α粒子能谱仪，用以测量几种放射性元素放射的α粒子能谱。为了更好地记录α粒子的径迹，他们经过多次实验，最终发明了一种新型的粒子探测器——火花室。火花室由若干根金属丝组成，室里充有特殊气体，金属丝加有高压，当带电的α粒子穿过时就会引起放电，产生火花，故得名。这些肉眼可见的火花给出了α粒子穿过的径迹。这个新的探测器为他们的实验工作立下了汗马功劳，让他们首次系统测量了α射线的能谱和了解其衰变机制。

▲ 张文裕在美国普林斯顿大学帕尔摩(Palmer)实验室，图中展现了他们新发明的火花室探测器。（摄于1948年）

正因为这种新型探测器具有直观、耐用、高位置分辨率、信号可用电子学读出、易于处理等优点，他们关于这种探测器的论文一经发表立即引起了高能物理界的重视，相继在一些实验中建造和使用这种火花室探测器，并取得了良好效果。很快，这种探测器便成为高能物理实验广泛使用的探测器之一。

为了纪念了张文裕的发明，有人就以“张室”来称呼这种火花室探测器。几十年来，这种探测器为高能物理的发展做出了重要贡献，成为当代高能物理实验最常用计数器的鼻祖，为后来广泛使用的计数器探测器开辟了一条全新的道路。

1988年，莱德曼和斯坦伯格等人因首次证实了轻子的二重态结构的实验而获诺贝尔物理奖，该实验就是使用火花室探测器进行的，火花室探测器使他们成功地区分开电子中微子和μ中微子。

另一项著名工作是张文裕发现了一种原子的新形态——μ子原子，即一种称为μ子的粒子和原子核组成的原子。这项发现是在他自制的金属箔云室上进行的。他对宇宙线中的μ粒子进行了仔细研究后，发现它不与原子核发生作用，不是原先人们想象的那样属于强相互作用粒子——介子。虽当时称μ子为μ介子，但它不属于强作用粒子，而是属于一种新粒子——轻子(后来真正的π介子也在宇宙线中被找到) 。为了进一步研究μ子的性质，他使用一米厚的铅慢化μ子的速度，使其最终停止在金属箔中，在云室中观察到：带负电的μ子被物质吸收后会放出能量为1-5MeV的γ射线，在金属箔中产生电子或正负电子对，其发射方向指向μ子停止的地方。经过反复实验和研究，确认了这是带负电的μ子停止在金属箔后被原子核俘获，形成原子。由于原子轨道能级跃迁产生γ辐射，这是新原子形态的证据。 1949年，他将这一发现以两篇论文《停止负μ介子产生低能γ射线的证据》和《利用云室研究铅箔，铁箔和铝箔对μ介子的吸收》先后发表在《物理评论》和《现代物理评论》杂志上。以后许多实验都与张文裕的实验结果一致，确认了这一发现。于是人们就把这种μ子原子轨道跃迁产生的辐射称为“张辐射” ，把这种新型原子称为“张原子” 。