核物理是研究射线束的产生、探测和分析技术;以及同核能、核技术应用有关的物理问题。下面我给大家分享一些核物理学术论文，大家快来跟我一起欣赏吧。
激光核物理
摘 要 在最近十年,激光技术有了长足的进展,激光的强度超过了1022W/cm2, 激光的电场达到~4×1012V/cm.当这种高强度的激光照射在靶上时,可以产生许多由激光产生的核反应现象.在这篇 文章 中,作者回顾了这一领域的 研究 进展,并对在不远的未来激光产生 电子 ?质子?中子?X射线和正电子 发展 的潜力进行了一些讨论.
关键词 啁啾脉冲放大,粒子云,正电子发射层析术,库仑爆炸
1 什么是
最近十年中,激光技术有了显著的进展,激光强度已超过1022W/cm2,激光的电场强度达到3.8×1012V/cm,比氢原子中电子玻尔轨道上的库仑场大759倍,相当于在原子大小上相应加上约40kV的电压,在原子核大小上相应加上约0.38V的电压,在这种很强的电场作用下,所有的原子都会在极短的时间内被电离,产生从几个MeV到几百MeV的质子,几十MeV到GeV的电子和其他粒子,以及韧致辐射和中子,这些粒子可以产生核反应,打开了核物理以及非线性相对论光学研究的新领域[1—3].
在今后的十年中,激光强度可能会提高到1026—1028W/cm2,这样高强度的激光可以将粒子加速到1012—1015eV,并将成为研究粒子物理?引力物理?非线性场论?超高压物理?天体物理和宇宙线研究中的一个有力工具[1].
超高功率超短脉冲激光技术的发展,在实验室中创造了前所未有的极端物态条件,如高电场?强磁场?高能量密度?高光压和高的电子抖动能量?高的电子加速度,这种极端的物理条件, 目前 只有在核爆中心?恒星内部?星洞边缘才能存在,在它和物质的相互作用中,产生了高度的非线性和相对论效应,产生了崭新的物 理学 领域,也为多个交叉学科前沿研究领域带来了 历史 性的机遇和拓展的空间.
2 国内外研究现状
当前国际上已经在一些实验室中建立了几十TW到几个PW的激光系统,在上世纪80年代中期,以前激光的强度长期停留在1014W/cm2左右,这是由于非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增强,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification, CPA),激光强度提高了6—7个数量级,在CPA技术中,一个飞秒或皮秒的脉冲通过色散的光栅对在时间尺度将它展宽了3—4个数量级,这样就避免了放大器的饱和以及在很高强度时由于非线性效应产生的光学放大器件的损伤,在经过放大以后,再由另一光栅对将脉冲宽度压缩回到飞秒或皮秒宽度,以获得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脉冲TW的激光装置在法国光学 应用 研究所?瑞典Lund大学?德国Mark-Plank研究所?德国Jena大学?日本JAERI和 中国 工程物理研究院?中科院上海光学精密机械研究所?中科院物理研究所?中国原子能 科学 研究院等都建有.日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术,运用低f值的抛物面镜,将激光聚焦于1μm的斑点,可以进一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介质的单位面积上的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制,单位面积上最大的光强度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,这个数值约为10?23?W/cm2.美国LLNL正在计划建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光装置,以期获得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.
高强度的激光可以引起许多核反应,当激光强度I>10?18?W/cm2时,在激光电场做抖动的电子能量达到0.511MeV,产生了相对论等离子体.运用强激光在等离子体中产生的尾场去加速电子,如用一台紧凑型的重复频率的激光器可以产生200MeV的电子.这种激光等离子体型的加速器具有比通常电子加速器高出1000倍的加速梯度,即达到GV/m.运用高强度?单次脉冲的激光也获得了100MeV的电子,并测量到它的韧致辐射.超短超强激光还可以产生质子束,并开始运用这些质子束产生正电子发射层析术(positron emission tomography,PET)所需要的短寿命的正电子放射源,一种用激光来产生的小型化的和 经济 的质子产生器有望在未来用于质子治癌.运用超短超强激光直接产生正电子已在英国卢瑟福实验室开展,他们用重复频率的TW级的激光,打在高Z元素的靶上得到每脉冲2×107个正电子,它对于基础研究和材料科学很有用途.通过超短超强激光和氘团簇的相互作用,产生聚变反应的中子,其中子产额可以达到105中子/焦耳,激光产生中子的能量效率已达到世界上大型的激光装置的水平,它可以成为台面的中子源,由于其中子脉冲通量高,但总的中子剂量很小,适合于生物活体的中子照相和材料科学的研究.运用超短超强激光和氘化聚乙烯作用产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轰击氘化聚乙烯靶,产生104中子/脉冲.运用超短超强的激光在相对论性的电子上的散射,产生几百飞秒?几十埃的硬X射线,可以用来研究材料和生命科学的一些 问题 ,这种超快的硬X射线源对于研究一些高Z物质和时间分辨的超快现象具有重要的意义.超短超强激光所产生的高能电子,在物质中产生高能X射线,可以在裂变物质铀中引起裂变,并在裂变靶中探测到许多裂变产物.在激光的强度达到1028W/cm2时,电场强度只比Schwinger场(真空击穿场强)低一个数量级,在这样的场中,由于真空的涨落被激发,激光就有可能从真空中产生正负电子对,美国Lawrence Berkerly实验室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的46.6GeV的电子束相碰撞,产生了200多个正负电子对,这是由于在反向相碰的电子和激光中,从电子的坐标系来看,激光的场强增强了Lorentz因子倍,以至于可以远远地超过Schwinger场值,直接从真空中产生一些电子对.
3 新的科学研究的 内容 ,新的交叉点
3.1 激光产生高能电子[4—7]
产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场作用下,电子做抖动运动,在激光强度I=10?20?W/cm2时,电子抖动运动能量能达到10MeV;第二种是由非线性效应所产生的能量比较高的部分.用300J,0.5ps的激光照射在厚的金靶上,测量到的电子能谱分布基本上由两个部分组成:一部分是由有质动力产生的,它的能量在20—30MeV以下,还有一部分就是由非线性效应产生的几十MeV以至100MeV以上的高能量的电子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 计算 结果符合,目前加速电子最高能量已达1GeV.能散度可达3% .
当激光的强度增加时,光波的压力变得很大,光压推着电子往前走,光波就像一个光子耙将等离子体中的电子推到脉冲的前面积累,形成电子的“雪耙”(snow plow) ,在这种“雪耙”加速中,电子的动能得到增益.在综合了光压作用和激光场的作用后,计算得到在激光强度为I=1026W/cm2时,加速梯度可达200TeV/cm,如果加速长度达到1m,电子能量为2×10?16?eV,在I=1028W/cm2时,加速梯度可达2peV/cm,加速长度为1m时,电子能量为2×10?17?eV,可以用来研究高能物理中的许多问题.
3.2 激光产生质子束[8,9]
在激光等离子体中,在I=10?20?W/cm2的情况下,加速质子的能量可以高达58MeV.加速梯度约为1MV/μm.质子被加速的距离只有60μm左右,如何增长加速距离成为非常重要的研究内容,加速质子的机制是相当复杂的,也提出了一些加速模型的设想.实验上的研究结果已显示它存在很好的应用前景.这表现在:
(1) 激光能量转换成质子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有关,在激光脉冲能量为10J?宽度为100fs时,转换效率为1%,当500J?500fs时,转换效率为10%,人们已经获得了10?13?质子/脉冲,质子脉冲宽度约1ps,相当于10?25?质子/秒,即?1.6×?106A的脉冲质子流.
从 理论 到实验应该研究如何进一步提高能量转换效率的问题,尤其是当激光能量进一步提高时,转换效率是否还继续上升.
(2) 质子束的发散角比较小,观察到的横向发散角为0.5mm·mrad,比通常加速器上加速的质子束的发散角小.
(3) 高能质子束的获得可能会在今后的十年中实现,按照Bulanov等人的计算结果,在I=10?23?W/cm2时,质子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2时,质子能量可以达到100GeV和 10TeV.
(4) 目前已获得几十MeV的质子束,并已用于为PET产生?18?F等短寿命的正电子源,在英国Rutherford实验室的Vulcan装置上,在20分钟内制备了109Bq的?18?F源,已经可以用在PET上.
(5) 产生200MeV的质子,并用于质子治癌,由于它在能量沉积上的优越性能,以及整个装置可以做得小,成本低,所以在治癌应用上很有发展前景,并可应用于中子照相.目前由激光加速产生的质子的能量分散度为17%.治癌应用要求能散度≤3%左右,因此减少能散度的工作在一些实验室正在进行中.
3.3 激光产生中子[10,11]
超短超强激光加热氘团簇产生核聚变,已经产生了104中子/脉冲或105中子/焦耳,从激光的能量转换成中子的效率看,和美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当,比日本大阪大学的大型激光装置Gekko 12上的数值大一个数量级,因此是一种很有 发展 前景的桌面台式的中子发生器,因为这种中子源的时间宽度只有1ps,是一个高中子通量的中子源,可用于材料 科学 和中子照相.
氘的团簇在吸收激光能量后要发生库仑爆炸,应该说到现在为止对于库仑爆炸的机理理解尚不非常清楚,尤其是团簇爆炸后产生的氘分子和氘的小团簇如何产生氘-氘的聚变反应也缺乏细致的了解,在进一步的改进方面,还有发展的余地,例如,如何采用多束的超短超强激光同时照射团簇,或用大于50T的脉冲磁场去推迟热等离子体的解体时间,以增加中子产额.
利用超短超强激光和氘化聚乙烯作用来产生中子,Hilsher等人用钛宝石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶也产生了104中子/脉冲,大约每焦耳的激光产生3.3×104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光辐照CD?2靶,获得107中子,每焦耳激光产生了3.5×105中子,这是很高的中子产额,他们还要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以获得更多的中子.
在激光辐照CD?2平面靶时,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉积的分布外,如何充分地利用沉积的能量是一个很重要的 问题 .沉积的能量有很大一部分要转变成等离子体的动能,在平面靶的情况下,如何设计靶面形状,以最大限度地使等离子体的动能对D-D反应做贡献.
3.4 激光产生硬的超短(~100fs)X射线[12]
用超短超强激光(50mJ,0.5TW,100fs)和50MeV的 电子 束散射可以产生4nm,300fs的硬X射线,虽然转换效率不高,但产生的X射线强度可以在Si表面产生衍射峰,可以用来研究Si表 面相 变过程(从固相→熔化过程)的时间分辨的研究,也可以研究蛋白质折叠动力学,蛋白质的折叠时间为1ns,用300fs的硬X射线可用来了解它的折叠过程中的状态.
3.5 激光产生正电子[13,14]
将具有几个MeV的电子,经过很好地准直后,射到一个高Z的靶上,通过Trident过程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler过程(Z+r→Z′+e-+e++r′)产生正电子,采用重复频率的超短超强激光和高Z靶的相互作用,每脉冲可以产生2×107个正电子,经过慢化后,储存在磁场中,它对于基础科学和材料科学的研究是很有用的.
4 主要存在的问题和 分析
这门新兴的交叉学科在国际上也只有十多年的 历史 ,但发展十分迅速,搞激光技术和原子核物理的科学家们已经开始在一起召开学术研讨会,共同参加一些实验,由于它是一个新的生长点,发展比较快,也比较容易发现一些新现象,所以合作的积极性也在日益增长.随着超短超强激光技术的发展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作来.我国发展的情况有些滞后,学科之间的交叉和合作还没有真正形成,学科之间的了解和交流还不够,因此只在交叉学科的边缘上做了一些工作,按照我国在激光技术和核物理方面的力量来说,都应该有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超强激光装置的研究单位并不少,但将它们运行好,做出好的物理工作的成果并不多.
国内的情况也和国际上相似存在着一个问题,即搞强激光技术的专家和搞核物理和粒子物理专家之间的交流?讨论不够,这就会 影响 这一交叉学科的发展.
从强场物理到超短超强激光技术,到 应用 于各个领域,在世界上是基础科学和技术进步相互推动,相互作用的一个范例,基础研究的需求,以及光学科学的基础,非线性科学的基础,促进了超短超强激光技术的发展,而高强度激光的发展又为物 理学 的发展提供一个崭新的世界.
参考 文献
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[14] Gahn C et al. Phys. Rev. Lett., 1999, 83 :4772
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铀原子核裂变现象的发现还得从美籍意大利物理学家费米利用中子轰击铀核的实验研究工作谈起。当人工放射性核素发现以后，科学家们就纷汾利用α粒子、质子以及中子去轰击周期表上各种元素，以求获得更多的人工放射性核素。而费米就是利用α粒子轰击铍能发射中子的核反应过程，把镭和铍均匀混合在一起，就可以制成能发射大量中子的镭－铍中子源。然后，利用这些中子去轰击各种元素，并用自制的高灵敏度盖革—弥勒计数管进行测量。结果发现将近六十多种被中子照射过的元素中，约有四十多种能产生放射性核素。
后来，费米在长期的实验工作中发现，如果把所用的镭－铍中子源加以适当改进，在中子源和银圆筒之间加上一层石蜡或其它含氢物质，就能使银的放射性强度大大增加，这可从盖革—弥勒计数管上得到反映。
这是因为镭－铍中子源所发射的快中子能量很大，不易和银发生反应。现在通过石蜡后快中子被减速成热中子，其能量和分子热运动能量相当，即能量为0.0253电子伏或速度为每秒2200米。由于热中子运动速度很慢，它在核周围的停留时问就会加长，因此和核作用的机会也就越多，所产生的放射性也就越强，计数就大大增加。
费米在获得热中子后，重新对铀核进行轰击试验。看它能否被铀核俘获生成更多的原子序数大于92的93、94……一系列超铀元素。然而，大量实验结果证明，在铀核俘获中子后的生成物中，呈现出非常复杂的辐射成分。在测量中发现它们是由多种β射线所组成，先后共测得四种不同能量的β射线，根据它们辐射强度随时间衰减的曲线分析，得到四种不同的半衰期，分别为10秒、40秒、12分和90分。而费米及其助手当时也无法从这些复杂的放射性物质中识别出事先想找到的93号新元素。这是因为他们中间缺少精通化学分析的科学家。即使在这些新产生的放射性物质中确已存在93号元素，他们也不能用化学方法由辨别它们。
由于费米及其同事在生产人工放射性核素中一直认为元素俘获一个中子后，经过β衰变能生成原子序数增加1的新元素，所以费米等人总是专心致志地去寻找原子序数比铀更大的超铀元素。因而对在实验过程中所遇到的那些复杂的β衰变现象未能做出符合客观实际的解释，对铀核反应过程中所形成的放射性核素，也未能作直接的化学测定，就误认为93号元素已经找到。这样也就错过了发现“铀核裂变”的良机。
正像约里奥·居里夫妇在1932年研究α粒子轰击铍时，未能及时发现中子一样，费米他们虽然已到了发现铀核裂变的门口，却未能再往前路一步，没有能及早揭开铀核裂变的秘密。直至1939年，93号元素才被美国物理学家麦克米伦和艾贝尔森在伯克利的加利福尼亚大学辐射实验室，用热中子轰击铀靶而生成。并用化学方法鉴别出第一个难以捉摸的超铀元素—镎。
与此同时，奥地利物理学家梅特涅和她的合作者—德国物理化学家哈恩一起在柏林威廉皇家研究院，从事中子轰击铀核的研究工作，并利用他们在化学分析工作方面的有利条件，对所生成的多种放射性同位素进行了详细研究。
他们在测量中发现，实际情况要比费米最初预料的还要复杂得多。这是指各种放射性强度的衰减曲线在不同的观测时间内变化很大，也就是税，即使中子照射停止，有些放射性物质仍能不断产生，其衰变过程还是相当复杂的。
另外，他们还测得了费米没有测到的半衰期，其中包括某些长半衰期，一共有九种，—它们分别为10秒、40秒、2.2分、16分(费米测得为13分)、23分、59分(费米测得为90分)、5.7小时、45小时和66小时。然而，在分析与这些半衰期相对应的放射性同位素时，他们却仍认为是生成了超铀元素，即想象在铀元素中形成了类铂、类金、类铼、类锇和类铱的93、94、95、96和97号新元素。但是，当用化学方法对它们进行鉴别时，很快发现这种想象是错误的。
梅特涅和哈恩他们所用的化学鉴别法是一种在放射化学中常用的分析微量放射性物质的方法。即为了能取得微量的放射性物质，往往预先加入几毫克相同的稳定元素或化学性质相似的元素(通常称为载体)，这种裁体能把微量放射性物质载带入沉淀物中。如果不是同种元素，则可设法把微量放射性物质与裁体分离。哈恩他们曾经选择了各种元素作为载体，并把它加入被中子轰击过的铀元素里。其中有一种钡元素，当他们把钡从中子轰击过的铀元素中分离出来进行测量时，果然发现有相当一部分的放射性物质被钡载带出来。
那末这些放射性物质到底是什么核素呢？由于他们和费米一样，也是一心想寻找超铀元素，而不愿往“铀前”元索(原子序数远小于铀)方面考虑。为此他们认为那些化学性质和钡相似的放射性核素很可能是“镭”。它在周期表中是第83号元素，位于钡元素的下面，和钡是同族元素，所以在化学性质上，镭和钡确有很多相似之处。然而，两者毕竟不是同一种元素，所以可用化学方法把载体钡和放射性物质“镭”分离开来。但事与愿违，虽然作了很大努力，但始终未能把“镭”从钡载体中分离开来。事实上，这一实验结果已经表明此种“镭”放射性物质就是钡，但他们就是不敢下此结论。
与此同时，法国的约里奥·居里夫妇也在自己的实验室里进行过中子轰击铀的试验。同样他们也测得了一些被命名为“类铼”、“类锇”和“类铱”的93、94和95号元素。他们的实验结果也未能超越费米等人的结论。
然而，有些在思想上框框比较少的年轻科学家，他们根据在实验中一方面未能直接分离得到超铀元素；另一方面从钡载体中确实测得了放射性物质的存在，且又不能把它同钡分离出来的实验结果，提出了富有创见的大胆设想。其中最值得一提的是德国年轻科学家诺达克夫妇，他们当时都在布列斯高的弗莱堡大学物理化学学院中工作。他们认为费米所做的中子轰击铀的实验，在化学分析方面未能对超铀元素的发现提出过令人信服的论据。
为此，他们在1934年曾经提出过自己的看法，他们认为铀核在中子作用下发生了核裂变反应。而且这种反应和其它核反应有很大区别，似乎在中子轰击铀核时，铀核被分裂成几块碎片是完全可能的。同时，这些碎片应是已知元素的同位素，但不是被轰击元素铀的相邻元素。
这是一个后来在1939年被证实的极其有价值的假定。然而当时却未能引起像费米那样的物理学权威人士的重视，当然也就根本谈不被被承认了。费米在获悉这些不同意见后，仍坚持认为能量很低的热中子决不能击破如此坚固的原子核堡垒，使核发生裂变，这简直是难以想象的。特别是当费米得知当时世界—致公认的放射化学权威哈恩也同意他已经获得超铀元素的看法时，他对自己的实验结果就更加确信无疑了，这样费米他们也就又一次失去了完成—项重大发现的机会，这也是费米在自己的科研生涯中所犯的一次最大的失误。
二十年后，在安葬这位伟大的科学家时，曾经参加过这项实验的费米的一位学生物理学家西格列说：“上帝按照他自己的不可思议的动机，使我们当时在核分裂现象上成为盲人”。当然实际上使他们迷失方向的决非是上帝的旨意，而是当时他们在化学知识方面的不足，以及主观上犯了先验论的错误所致。世上任何一位科学家在自己短暂的科学生活中，总是难免有不足之处的，但他们对推动科学事业发展的不朽功勋却永远值得大家称颂。
不管怎样，许多科学家在用中子轰击铀核的实验中，不断找到各种各样铀前元素的事实有力地冲击着费米等人认为获得了超铀元素的错误结论。例如，在1938年，伊伦·居里和萨维基从被中子轰击过的铀中，测得了一种在哈恩等人实验中所没有测得的半衰期为3.5小时的新的放射性核素。它的化学性质和稀土元素镧十分相似，起初假定它是锕的放射性同位素。但在进一步测量中发现，这种放射性同位素可用化学方法把它和锕分离，却不能与镧分开。
由此可见，这些半衰期为3.5小时的放射性物质与其说是锕的同位素，倒不如说是镧的同位素更符合实际。这就是说他们实际上已经测得了铀核的裂变产物镧，发现了铀核的裂变现象。但当他们发表找到镧元素的论文时，却仍认为镧是由铀俘获中子后所形成的超铀元素衰变而成，决没有想到镧是铀核在中子直接作用下的裂变产物。仍旧未能冲破权威们关于生成超铀元素的束缚。
正当原子核科学事业不断向前发展的时候，希特勒法西斯统治下的纳粹德国所发动的侵略战争也正在逐步升级。1938年3月，中立的奥地利被德国所吞并。而这时正在德国从事铀核裂变研究工作的梅特涅教授，由于她是犹太人，她的奥地利国籍使她成了敌对国的公民，这样她就被迫离开拍林前往瑞典的斯德哥尔摩避难。
她的合作者、德国籍的哈恩和施特拉斯曼仍旧留在柏林继续对铀核的裂变现象进行研究，且也向伊伦·居里等人一样找到了镧的同位素。同时他们得到启发，把过去同钡载体—齐沉淀下来的“镭”同位素，重新进行化学分离。
当时他们采用了比较先进的“分步结晶法”的化学分离技术，结果仍然未能从钡载体中分离出所想象的“镭”，看来这种和钡载体结合得如此紧密的放射性核素只能是钡本身。正如哈恩和施特拉斯曼后来在自己著作中所描述的那样：“作为化学家的我们，不得不肯定地声明，铀俘获中子后所产生的新物质的性质并不和镭相同，而恰恰是和钡相同”。
至此应该说他们已经发现了铀核在中子作用下发生了裂变的奇迹，可是奇迹的创造者却还是不敢承认。这是因为虽从化学角度上看，这些精通各种化学分析方法的著名化学家，他们对自己的实验结果是深信不疑的，但从核物理观点上看，这似乎又是不可能发生的事情。即当用能量很低的热中子去轰击周期表上最重的铀核时，结果怎么会得到原子序数为56的中等质量数的钡元素呢？它只比铀元素的—半大一点。
如果铀核不是分裂成大小差不多的两半片。那末钡是得不到的。像铀核这种密度很高的坚硬堡垒，很难想像它能被能量很低的热中子炸成两半。难怪哈恩他们即使早已发现了铀核的裂变现象，但却迟迟不敢发表自己的实验结果。
然而哈恩他们也深深懂得科学研究本身是不能有任何虚假的。在被中子轰击过的铀元素中，钡核镧等中等质量元素的出现是谁也抹煞不了的实验事实，为了尊重事实，他们觉得完全有必要赶快把这个新发现的实验结果公布与世。
在1938年8月22日，他们终于正式发表了这—重要的实验事实，同时还写信给在瑞典避难的梅特纳教授。她曾和他们共事过三十年，由于希特勒的战争政策和迫害犹太人的罪恶行径，使她未能参加最后阶段的实验工作。但现在她终于知道了在被中子轰击过的铀元素中，确实存在着钡同位素。喜悦的心情使她久久不能平静，她反复思考铀核俘获中子后怎么会生成钡的奇怪现象。
她想铀核中有92个质子146个中子；而钡只有56个质子和82个中子。两者的质量数和原子序数相差这样大，这在以往的任何核反应过程中都是从未有过的。不论是α粒子或质子和中子，当它们轰击靶核时，只能生成某种和原来靶核质量数相近的新元素，同时伴随着放射出某些质量数较小的粒子，如α粒子、质子、中子、电子或正电子等。而在中子与铀核的反应过程中，却出现了意想不到的钡元素，这到底是什么缘故？她想很可能在铀核俘获中子的过程中发生了某种特殊的核反应。
为此她大胆地假定是否存在着这样一种可能性，即当稳定性较差的铀核吞噬中子后，使铀核得到了多余的能量，并处于激发态，显得更加不稳定，最后分裂成两个较轻的核碎片，而铀核的电荷数和质量数也将分成大约相等的两部分。这样就能满意地解释哈恩他们所发现的钡和镧的实验结果，因为它们的质量数几乎是铀的一半。
接着，梅特涅又立刻把上述想法告诉了她的侄子弗里施，当时他流亡丹麦，在哥本哈根玻尔所主持的研究所工作。他们两人经过仔细而又深入的讨论后，完成了关于解释铀核裂变现象的论文，并想在1939年1月发表。于此同时，弗里施把论文送给了与梅特涅教授有着很密切联系的玻尔教授。因为在他们的论文中，引用了玻尔的核理论对铀核的裂变现象进行了说明。当时有位美国生物学家阿诺德刚好也在哥本哈根工作，他建议把铀核分裂成两片的现象仿照活细胞的一分为二现象称作为“裂变”，从此这个名称就一直被沿用至今。
梅特涅和弗里施在关于铀原子核俘获中子产生裂变的论文中，主要引用了玻尔关于原子核结构的液滴模型理论，对铀核所以能产生裂变得到钡和澜等元素的结果，进行了十分生动而又令人信服的描述。弗里施在描述当时的情况中说：“我们逐渐清楚了，铀原子核被破裂成两个几乎相等的部分……可以说是完全按照—定形式发生的。情形是这样的……原始的铀核逐渐变形，中部变窄，最终分裂成两半。这种情况与生物学上细胞繁殖的分裂过程非常相似，这使我们有理由把这种现象在自己的第一篇报告中称作为‘核分裂’”。
他们在分析铀核为什么能产生裂变的出发点是把铀核看为带电的液滴，这就是玻尔的核液滴模型的根据。由于铀核中有92个质子和146个中子，这同质子数和中子数相等的稳定核相比较，可看出铀核中存在着过量的中子，所以铀核本身就是一种很不稳定的原子核。
它像普通的水滴是由水分子间的表面张力维持形状一样，组成原子核的质子和中子(统称为核子)之间的相互作用力(也称核力)促使原子核也能保持一定的形状。而带正电子的质子又同普通电子一样，也有趋向于表面的特性，它们各自在核表面上占据着一定的位置。另外质子间的静电斥力使得质子有逃逸出核的可能，而核力又要把质子拉回到核里。
铀原子核内各核子间虽然受到十分复杂的作用，而处于很不稳定的状态。但是如果没有外来的干扰，大多数情况下，铀核还能维持比较完整的形状。
然而，一旦铀核俘获了一个中子以后，形成铀的复合核，并受到中子带来的额外能量的扰动，结果使得铀核内的核子更加剧烈地颤动起来，铀核变成了椭圆形。随后就愈变愈烈成为不能复原的哑铃状形。直到核内的电磁斥力把几乎相等的两部分从哑铃的颈部完全断裂开来，形成两个新的中等质量数的原子核，同时放射出2～3个中子。
此外，由于铀核的分裂并不是每次都在同一个哑铃颈上断开，所以许多铀核分裂的结果就能得到—系列不同质量数的裂变碎片，这就是铀核裂变产物十分复杂的主要原因。不过通常仍然有一种比较常见的分裂形式，即分裂成钡和镧。它们的原子序数分别为56和36，加起来刚好等于铀的原子序数92。这和很多科学家在研究铀核俘获中子的实验中，多次测得钡元素的结果相—致。
当玻尔看到自己的液滴模型核理论能如此精确无误地解释铀核俘获中子的裂变现象时，其兴奋激动的心情是难以表达的。正像他在自己短短的1500字的自传中曾经描述过的那样：“有助于揭开那遮蔽真理帐幕的—角，并且从而可以走到较为接近真理的路上，也许是一个科学家所能获得的最大快乐”。
当时玻尔为此差一点没有赶上去美国的火车。就在他赴美开会之际，梅特纳和弗里施为了验证他们对铀核裂变现象的解释，再一次对铀核俘获中子后的裂变产物进行了测量。他们从中不仅找到了钡和镧等其它元素，而且当他们将裂变后的两部分裂变碎片的质量相加时，发现它们比裂变前的铀核和中子的质量之和要小。这就是说，在铀核的裂变反应过程中发生了质量亏损。
根据爱因斯坦的质能公式，即能量E等于质量和光速平方的乘积。这些失去的质量必定在铀核发生裂变反应的过程中，以能量的形式释放出来。弗里施在实验中观测到了这个异常巨大的能量，它能把测量仪表的指针逼到刻度以外，其数值约为200兆电子伏。
接着他们又把这个伟大发现通过海底电报告诉了已抵达美国的玻尔。当玻尔得知这一足以震惊世界的消息已被证实后，立即在一次物理学家会议上宣布了关于发现铀核裂变的消息。与会者无不为之激动万分，并立刻投入到铀核裂变研究中去。数周之后，各国科学家也都先后证实了铀核被中子裂变，和能释放出巨大能最的事实。从此以后，核科学研究工作也就进入了利用原子核能，为人类造福的新时代。
门 捷 列 夫
元素周期律的发现
1867年，俄国彼德圣堡大学里来了一个年轻的化学教授，他就是门捷列夫。身为化学教授的门捷列夫大部分时间不是在实验室度过，而是将自己关在书房里。手里总捏着一副纸牌，颠来倒去，整好又打乱，乱了又重排。不邀牌友，也不去上别人家的牌桌。
两年后的一天，俄罗斯化学会专门邀请专家进行一次学术讨论。学者们有的带着论文，有的带着样品，只有门捷列夫两手空空，学术讨论进行了三天，三天来讨论会场大家各抒己见，好不热闹，只有门捷列夫一个人一直一言不发，只是瞪着一双大眼睛看，竖起耳朵听，有时皱皱眉头想想。
眼看讨论就要结束了，主持人躬身说道：“门捷列夫先生，不知可有什么高见？”门捷列夫也不说话，起身走到桌子的中央，右手从口袋里取出，随即一副纸牌甩在桌子上，在场的人都大吃一惊，门捷列夫爱玩纸牌，化学界的朋友已早有所闻，但总不至于闹到这种地步，到这么严肃的场合来开玩笑吧？
只见门捷列夫将那一把乱纷纷的牌捏在手里，三下两下便整理好，并一一亮给大家看。大家这时才发现这并不是一副普通的扑克，每张牌上写的是一种元素的名称、性质、原子量等，共63张，代表着当时已发现的63种元素。更怪的是，这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
门捷列夫真不愧为玩纸牌的老手，一会儿功夫就在桌子上列成一个牌阵：竖看就是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别各一列，横看那七种颜色的纸牌就像画出的光谱段，有规律地每隔七张就重复一次。然后门捷列夫口中念念有词地讲着每一个元素的性质，滚瓜烂熟，如数家宝。周围的人都傻眼了。他们在实验室里钻了十年、几十年，想不到一个年轻人玩玩纸牌就能得出这番道理，要说不服气吧，好象有理，要说真是这样，又有些不甘心。
这时一直坐在旁边观看的门捷列夫的老师胡子气得撅起来了，一拍桌子站起来，以师长的严厉声调说道：“快收起你这套魔术吧，身为教授、科学家，不在实验室里老老实实地做实验，却异想天开，摆摆纸牌就要发现什么规律，这些元素难道就由你这样随便摆布吗？……”老人越说越激动，一边还收拾东西准备离去，其他人见状也纷纷站起，这场讨论就这样不了了之。
门捷列夫坚信自己是对的，回家后继续推着这副纸牌，遇到什么地方接连不上时，他就断定还有新元素没被发现，他就暂时补一张空牌，这样他一口气预言了11种未知元素，那副牌已是74张。这就是最早的元素周期表。
在随后的几年中，门捷列夫预言的11种元素陆续被发现，乖乖地住进他的元素周期表，特别是后来发现的氦、氖、氩、氪、氙和氡又给元素周期表增加了新的一族。元素世界一目了然，它就像一幅大地图，以后化学的研究就全靠这幅指南图了。
牛 顿
少年时代的牛顿不像高斯、维纳那样，从小就显露出引人注目的科学天才；也不像莫扎特那样表现了令人惊叹的艺术禀赋。他跟普通人一样，轻松愉快地度过了中学时代。
如果说他和别的孩子有什么不同的话，那就是他的动手能力相当强。他做过会活动的水车；做过能测出准确时间的水钟；还做过一种水车风车联动装置，它使风车可以在无风时借助水力驱动。
15岁那年，一场罕见的暴风雨侵袭英格兰。狂风怒吼，牛顿家的房子直晃悠，就像要倒了似的。牛顿为大自然的威力迷住了，不禁想测验飓风的力量。他冒着狂风暴雨来到后院，一会儿逆风跑，一会儿顺风跳。为了接受更多的风力，他索性敞开斗篷向上跳跃，认准起落点，仔细量距离，看狂风把他吹出多远。
1661年牛顿考上了剑桥大学，尽管在中学里是个优等生，可是剑桥大学集中了各地的尖子学生，他的学习成绩赶不上别人，特别是数学的差距更大。但是他并不气馁，就像他少年时代喜欢思考问题一样，踏踏实实地学习，直到透彻地理解为止。
在大学的头两年里，他除学习算术、代数、三角外，还认真学习了欧几里得《几何原本》，弥补了过去的不足。他又钻研笛卡儿的《几何学》，熟练地掌握了坐标法。这些数学知识，为牛顿后来的科学研究打下了坚实的基础。
四年后，他从剑桥大学毕业了。1666年的一天，牛顿请母亲和弟妹到自己房间里来。房间里黑洞洞的，只从窗子的一个小孔中透过一线阳光，在墙上照出一个白色的光点。牛顿让他们注意看墙上的光点。他手里拿着自制的三棱镜，放在光线入口处，使光折射到对面墙上，光点附近突然映出一条瑰丽的彩带。这条彩带同雨后晴空中出现的彩虹一样，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色组成。牛顿和自己的亲人共同观赏了人工复现的自然景象。后来，牛顿又用第二个三棱镜把七种单色光合成白光。他用白光分解实验宣告了光谱学的诞生。
牛顿在探索光色之谜的同时，还在探索引力之谜。他从苹果从树上掉了下来的事实发现万有引力定律，而且从数学上论证了万有引力定律，并且把力学确立为完整、严密、系统的学科。他在概括和总结前人研究成果的基础上，通过自己的观察和实验，提出了“运动三定律”。这三条定律和万有引力定律共同构成了宏伟壮丽的力学大厦的主要支柱。这座力学大厦是近代天文学和力学发展的基地，是机械、建筑等工程技术发展的基地，也是机械唯物论统治自然科学领域的基地。构造了宏伟壮丽的力学大厦。
瓦 特
瓦特出生于英国的格林诺克，由于家境贫穷没机会上学，先是到一家钟表店当学徒，后又到格拉斯哥大学去当仪器修理工，瓦特聪明好学，他常抽空旁听教授们讲课，再加上他整日亲手摆弄那些仪器，学识也就积累的不浅了。
1764年，格拉斯哥大学收到一台要求修理的纽可门蒸汽机，任务交给了瓦特。瓦特将它修好后，看看他工作那么吃力，就象一个老人在喘气，颠颠颤颤地负重行走，觉得实在应该将它改进一下。
他注意到毛病主要是缸体随着蒸汽每次热了又冷，冷了又热，白白浪费了许多热量。能不能让它一直保持不冷而活塞又照常工作呢？于是他自己出钱租了一个地窖，收集了几台报废的蒸汽机，决心要造出一台新式机器来。
从此，瓦特整日摆弄这些机器，两年后，总算弄出个新机样子。可是点火一试，那汽缸到处漏气，瓦特想尽办法，用毡子包，用油布裹，几个月过去了，还是治不了这个毛病。
一天他又趴到汽缸前观察漏气的原因，不小心一股热气冲出，他急忙躲闪，右肩上已是红肿一片，就像被一把热刀削过一样，辣辣地疼起来，弄得他心烦意乱。他真有些灰心了，这时，是他的妻子给了他勇气，妻子用激将法又激起了继续研究下去的雄心。
他又回到地下实验室，将过去的资料重新翻阅一番，打起精神又干了起来，干累了就守着炉子烧一壶水喝茶。一天，他一边喝茶，一边看着那一动一动的壶盖。他看看炉子上的壶又看看手中的杯子，突然灵感来了：茶水要凉，倒在杯里；蒸汽要冷，何不也把它从汽缸里也“倒”出来呢？
这样想着，瓦特立即设计了一个和汽缸分开的冷凝器，这下热效率提高了三倍，用的煤只有原来的四分之一。这关键的地方一突破，瓦特顿然觉得前程光明。他又到大学里向布莱克教授请教了一些理论问题，教授又介绍他认识了发明镗床的威尔金技师，这位技师立即用镗炮筒的方法制了汽缸和活塞，解决了那个最头疼的漏气问题。
1784年，瓦特的蒸汽机已装上曲轴、飞轮，活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动，再不用人力去调节活门，世界上第一台真正的蒸汽机诞生了。
杨 振 宁
杨振宁生于安徽合肥，读小学时，数学和语文成绩都很好。中学还没有毕业，就考入了西南联大，那是他才16岁。20岁那年大学毕业后，旋即进入西南联大的研究院。两年后，以优异成绩获得了硕士学位，并考上了公费留美生，于1945年赴美进芝加哥大学，1948年获博士学位。1949年，杨振宁进入普林斯顿高等研究院做博士后，开始同李政道合作进行粒子物理的研究工作。
杨振宁是理论物理学家，他对理论物理学的贡献范围很广，包括基本粒子、统计力学和凝聚态物理学等领域，其中在粒子物理学方面贡献最大。
在粒子物理学方面，他最杰出的贡献是1954年与密耳斯共同提出的杨--密耳斯场理论，开辟了非阿贝尔规范场的新研究领域，为包括电弱统一理论、量子色动力学理论、大统一理论、引力场的规范理论等现代规范场理论打下了坚实基础。
另一项杰出贡献是1956年和李政道合作，深入研究了当时令人困惑的θ－τ之谜，即后来所谓的K 介子有两种不同的衰变方式，一种衰变成偶宇称态，一种衰变成奇宇称态；如果弱衰变过程宇称守恒，则他们必定是两种宇称状态不同的 K介子。但从质量和寿命来看，它们又应是同一种介子。
杨振宁和李政道通过分析认识到，很可能在弱相互作用中宇称不守恒。他们仔细检查了过去的所有实验，确认这些实验并未证明弱相互作用中宇称守恒。在此基础上他们进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称不守恒的实验途径。次年, 这一理论预见得到吴健雄小组的实验证实，他们也因次获得了1957年诺贝尔物理学奖。
在粒子物理学方面，杨振宁的贡献还有费密--杨模型，与李政道合作的二分量中微子理论，与李政道和R.奥赫梅合作的关于电荷共轭变换和时间反演变换不守恒的分析，与李政道合作的高能中微子实验分析和关于W 粒子的研究。与吴大峻合作的宇称不守恒分析，规范场的积分形式理论，与吴大峻合作的规范场与纤维丛的关系。与邹祖德合作的高能碰撞理论等等。
杨振宁谨记父亲杨武之的遗训：有生应记国恩隆。他在1971年夏，是美国科学家中率先访华的。他说：“作为一名中国血统的美国科学家，我有责任帮助这两个与我休戚相关的国家建立一座了解和友谊的桥梁。在中国科技发展的道途中，我应该贡献一些力量”。杨振宁是这样说，也是这样做的。20多年来，他频繁穿梭往来于中美之间，做了许多卓有成效的学术联系工作。
戴 维
戴维小时候是一个出名的浪子，虽聪明，但就是不愿学习。他上学时总是一个口袋里装鱼钩鱼线，另一个口袋里装弹弓，上学前总要到河边打几只鸟，钓几条鱼。
父亲死后，母亲拖着五个孩子实在无法活下去，母亲只好把戴维送进一家药店当学徒。到月底时，别人领了工资，却没有戴维的份。戴维就伸手向老板要，老板却当着众人狠狠地打了戴维一下，还说：“让你抓药不识药方，让你送药认不得门牌，你还好意思伸手来要钱？”店里的师徒哄堂大笑。
戴维哪里受过这种羞辱，从此他下定决心要浪子回头、发奋读书，他利用药房的条件研究起化学。这时恰好有个贝多斯教授成立了一个气体疗养院，戴维被邀请一块儿工作，在这里，戴维发现了一种“笑气”，从此戴维的名声大振。
1803年，戴维当选为英国皇家学会的会员。他知道机会难得，于是更加刻苦研究。在许多研究题目中，戴维对伏打电池的电解作用尤感兴趣。他想电能将水分解成氢、氧，那么一定也能将其他物质分解出新元素。而化学中常用的就是苛性碱，不妨拿它试一试。
于是他将一块苛性碱配成水溶液，然后通上电，溶液立即沸腾发热，两根导线附近都出现了气泡。开始戴维以为苛性碱分解了，可是后来发现跑出去的气体是氢气和氧气，也就是说分解的只是水，苛性碱根本没动。
戴维的倔劲上来了，水攻不行，那就用火攻。这回他将苛性碱熔化后，然后通上电，嘿！在导线同苛性碱接触的地方出现了小小的火舌，淡淡的紫色。这可使戴维高兴坏了，但他很快又犯愁了，怎么收集这种物质呢？熔融物温度太高，这东西又易燃，一分解出来就着火了。看来火攻也不是个好办法。
11月19日是皇家学会一年一度贝开尔报告会的日子，戴维满心希望这次能拿一样新发现的元素。可是眼看报告日期就要到了，电解苛性碱还是没有眉目。他苦苦思索了十几天，这天他突然想出了一个好法子：把苛性碱稍稍打湿，让它刚能导电又不含剩余水分。
要将苛性碱打湿很简单，只要把它放在空气中片刻，它就会自动吸潮，表面形成湿糊糊的一层。这次戴维真的成功了，他电解出了金属钾。
钱三强
在法国留学期间，钱三强在巴黎大学镭学研究所居里实验室和法兰西学院原子核化学实验室从事原子核物理的研究工作。这期间，钱三强在原子核物理学领域中做出了很多成就。
首先，他与约里奥·居里合作，用中子打击铀和钍得到放射性的镧同位素，从它们的β射线能谱证明它们是同一种同位素。这对解释当时发现不久的核裂变现象是有力的支持。
他还首次从理论和实验上确定了 50000电子伏特以下的中低能电子的射程与能量的关系。并且与布依西爱和巴什莱合作，首次测出了镤的α射线的精细结构，并与电子内转换的γ谱线符合得很好。
他最大的成就是与妻子何泽慧、两个法国研究生沙士戴勒和微聂隆合作，发现了铀的三分裂和四分裂现象。这个发现使他们异常兴奋，但他们并没有立即发表，因为当时科学家们一致认为原子核分裂只有二分裂的可能。钱三强根据实验继续分析研究，最终得出了能量与角分布等的关系，对三分裂现象从实验与理论两方面作出了全面的论述。
经过十几年的考验，这一发现已得到公认，尤其是到50年代获得新的实验手段后，从第二裂片的同位素质量谱、射程、发射角度等都说明他的解释与实验证据以及电子计算机计算结果相符合。这一发现被人们认为是第二次世界大战后居里实验室和法兰西学院原子核化学实验室第一个重要成果。
在钱三强要返回祖国时，约里奥·居里夫妇送给他一份鉴定书，上面写着：十年期间，在那些到我们实验室来由我们指导工作的同代人中，钱三强最优秀，我们这样说，并不言过其实。
钱三强回国后培养了一批从事研究原子核科学的人才，并且建立起中国研究原子核科学的基地。从1955年起，他参加了原子能事业的建立和组织工作，将近代物理研究所改良为原子能研究所，领导并促进了这一事业的发展以及有关科技工作的开展，对中国科学院和中国原子能事业的建设、计划和学术领导都作出了贡献。
诺贝尔
诺贝尔的父亲是一位颇有才干的发明家，倾心于化学研究，尤其喜欢研究炸药。受父亲的影响，诺贝尔从小就表现出顽强勇敢的性格，他经常和父亲一起去实验炸药。多年随父亲研究炸药的经历，也使他的兴趣很快转到应用化学方面。
1862年夏天，他开始了对硝化甘油的研究。这是一个充满危险和牺牲的艰苦历程。死亡时刻都在陪伴着他。 在一次进行炸药实验时发生了爆炸事件，实验室被炸的无影无踪，5个助手全部牺牲，连他最小的弟弟也未能幸免。这次惊人的爆炸事故，使诺贝尔的父亲受到了十分沉重的打击，没有多久就去世了。他的邻居们出于恐惧，也纷纷向政府控告诺贝尔，此后，政府不准诺贝尔在市内进行实验。
但是诺贝尔百折不挠，他把实验室搬到市郊湖中的一艘船上继续实验。经过长期的研究，他终于发现了一种非常容易引起爆炸的物质－－雷酸汞，他用雷酸汞做成炸药的引爆物，成功地解决了炸药的引爆问题，这就是雷管的发明。它是诺贝尔科学道路上的一次重大突破。
矿山开发、河道挖掘、铁路修建及隧道的开凿，都需要大量的烈性炸药，所以硝化甘油炸药的问世受到了普遍的欢迎。诺贝尔在瑞典建成了世界上第一座硝化甘油工厂，随后又在国外建立了生产炸药的合资公司。但是，这种炸药本身有许多不完善之处。存放时间一长就会分解，强烈的振动也会引起爆炸。在运输和贮藏的过程中曾经发生了许多事故，针对这些情况，瑞典和其他国家的政府发布了许多禁令，禁止任何人运输诺贝尔发明的炸药，并明确提出要追究诺贝尔的法律责任。
面对这些考验，诺贝尔没有被吓倒，他又在反复研究的基础上，发明了以硅藻土为吸收剂的安全炸药，这种被称为黄色炸药的安全炸药，在火烧和锤击下都表现出极大的安全性。这使人们对诺贝尔的炸药完全解除了疑虑，诺贝尔再度获得了信誉，炸药工业也很快地获得了发展。
在安全炸药研制成功的基础上，诺贝尔又开始了对旧炸药的改良和新炸药的生产研究。两年以后，一种以火药棉和硝化甘油混合的新型胶质炸药研制成功。这种新型炸药不仅有高度的爆炸力，而且更加安全，既可以在热辊子间碾压，也可以在热气下压制成条绳状。胶质炸药的发明在科学技术界受到了普遍的重视。诺贝尔在已经取得的成绩面前没有停步，当他获知无烟火药的优越性后，又投入了混合无烟火药的研制，并在不长的时间里研制出了新型的无烟火药。
诺贝尔一生的发明极多，获得的专利就有255种，其中仅炸药就达129种，就在他生命的垂危之际，他仍念念不忘对新型炸药的研究。
李 政 道
李政道出生于上海，他自幼酷爱读书，整天手不释卷，连上卫生间都带着书看，有时手纸没带，书却从未忘带。抗战争时期，他辗转到大西南求学，一路上把衣服丢得精光，但书却一本未丢，反而一次比一次多。
1946年，20岁的李政道到美国留学，当时他只有大二的学历，但经过严格的考试，竟然被芝加哥大学研究生院录取。3 年后便以“有特殊见解和成就”通过了博士论文答辨，被誉为“神童博士”，当时他才23岁。
李政道对近代物理学的杰出贡献是：1956 年和杨振宁合作，深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜，并且提出了“李一杨假说”，即在基本粒子的弱相互作用中宇称可能是不守恒的，后来这一假说被华裔女物理学家吴健雄用实验所证实，从而推翻了过去在物理学界被奉为金科玉律的宇称守恒定律，为人类在探索微观世界的道路上打开了一扇新的大门。他因此也获得了1957年度诺贝尔物理学奖。
一项科学工作在发表的第二年就获得诺贝尔奖，这还是第一次。李政道又是到那时为止历史上第二个最年轻的诺贝尔奖获得者。
李政道在其他方面的重要工作还有：
1949年与M.罗森布拉斯和杨振宁合作提出普适费密弱作用和中间玻色子的存在。
1951年提出水力学中二维空间没有湍流。
1952年与D.派尼斯合作研究固体物理中极化子的构造。同年与杨振宁合作，提出统计物理中关于相变的杨振宁-李政道定理和李-杨单圆定理。
质子和电子的发现
近代的原子－分子学说
宇宙万物的原始组成，自古以来在世界各地都引起人们有极大的兴趣。我国古代的五行学说认为，万物是由金、木、水、火、土五种基本元素组成的。古代希腊人把气与水、火、和土并列为世界的四种基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特主张宇宙万物只有一种起源，即他称为“原子”的一种极小颗粒，他认为原子不可分割，无质的区别而只有大小、形状的差异，“原子”和“虚空”是万物的本原。随着人类文明的进步和近代科学的兴起，古代的五种（或四种）基本元素的概念越来越不能说明化学研究是出现的新现象。“原子”这一模糊的概念随着控化学和物理学的发展而获得了更加明确和丰富的意义。
19世纪，英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论，他认为，化学元素是由非常微小的、不可再分割的物质粒子即原子组成，原子是不可改变的。化合物由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。接着，意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念，他指出：所有相等体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子，同等体积的气体原子数日虽然不同，但分子数目是一样的。但是在接着的近半个世纪，人们没有重视阿伏加德罗的理论，化学家们根据不同的标准，测得的相对原子量也不同。到了1858年，意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗定律，才能真正解决化学式问题和原子量问题，他的观点得到了人们的赞同，近代的原子-分子论确立了。接着，人们发现了大量的元素并测定了精确的原子量，到1869年，俄国化学门捷列夫提出元素性质与元素的原子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表，1871年，他又发表了修正的第二张元素周期表。
放射性和电子的发现
十九世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质是否与X射线有关时意外地发现铀能使用黑纸包起来的底片感光，进一步研究后，他得出结论，这是新射线是从铀原子本身发射出的，铀具有放射性。放射性的发现打开了一个巨大的新的研究领域，这不仅使原有的原子观念发生了重要变化，也是人们认识原子核的开始。接着，居里夫妇发现钍、钋、镭等元素也具有放射性，并发现了放射性衰变的定量规律并引入了半衰期的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率进行特定的衰变，有N个原子的元素在一段时间后就会因为衰变而只剩下N/2个，这段时间就叫做该元素的半衰期。由于研究放射性的贡献，贝克勒尔和居里夫妇被共同授予1903年的诺贝尔物理奖。
X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明，阴极射线（真空管内金属电极在通电时其阴极发出的射线）是一种粒子流，其质量只有氢离子的千分之一，汤姆逊将其命名电子，它是电荷的最小单位，比原子更小，是一切化学原子的共同组成部分。电子是从阴极内释放出来的，而这种阴极则是由金属原子组成，可见电子是从原子中放出来的。
卢瑟福的原子模型和原子核
在放射性研究中，人们发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，放射性以α、β或γ射线三种方式释放出来，它们后来被更加具体地加以识别，α射线是高速的氦原子核，带正电；β射线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波称为γ射线（实际上是高能量的质子）。
新西兰物理学家卢瑟福发现：在聚集起来的、电中和了的α粒子中显示出氦的黄色光谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，也证明了氦元素起源于其他元素。除了少数例外，一种放射性元素或者发射α射线、或者发射β射线，发射α射线的元素变成周期表中居于前两位的元素，其质量减少4，发射β射线的变成周期表中居于下一位的元素，质量不变。伴随着α或β衰变，常常会放射出γ射线，γ射线贯穿力特别强，是一种能量高的电磁辐射，γ射线不会引起元素在周期表上位置的变化，只是释放该元素原子内部过剩的能量。
放射性的发现说明了原子具有复杂的内部结构，也打破了长期以来人们认为原子是永恒不变的观念，因为天然放射性元素的原子就在不断地以一定规律进行变化。但是，能不能使自然界是稳定的元素原子也发生变化？卢瑟福想到，α粒子是从放射性元素的原子是释放出来的，如果将α粒子当作"炮弹"打进稳定元素的原子去，会有什么结果？
1910年，卢瑟福与其他科学家合作进行了α粒子在金和其他金属薄膜中的散射试验。根据试验的结果，卢瑟福建立了原子的有核模型：原子的正电荷和质量集中在原子中心一个很小的区域内，并把它叫做原子核，原子中的电子像行星绕着太阳那样绕着原子核运动，原子中的空间也像太阳系中的空间一样，绝大部分是空荡荡的。由于原子表现出电中性，原子核一定是带正电的，其带电量与核外电子所带负电量一样。
1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核，也是最轻的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将它命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的半径约为10-14米，大约只有原子半径的万分之一。原子的绝大部分质量集中在如此小的原子核内，因此核内物质的密度极高，它比通常物质的密度大约高出1012倍，1立方厘米的核物质将有约千吨重的量级。
1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，但是，这种元素的嬗变暂还没的衫价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。
卢瑟福在实验基础上建立了原子的核模型，提示了原子核这一物质更深层次的存在，他和他直接或间接指导过的许多世界各地的物理学家形成了一个大的学派，一切从实际出发了几十年原子核物理研究和核技术应用的兴旺发达局面。他是原子核物理的开拓者，也是探索原子核奥秘的带头人。
中子的发现
发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的。但卢瑟福的学生莫塞莱注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子核光由质子和电子组成，它的质量是不够的，因为电子的质量可忽略不计。在此基础上，卢瑟福早在1920年就猜测可能还有一种电中性的粒子。
卢瑟福的另一位学生--英国物理学家查德威克在卡文迪什实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速方法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他准备对铍原子进行轰击。
与此同时，德国物理学家博特及其学生贝克尔已经先行一步。他们共同合作用α粒子轰击一系列元素，在对铍元原子核进行轰击实验时，发现有一种未知辐射产生。为了确定这种辐射的一些性质，他们试着把各种物体放在辐射经过的路途上，结果发现这种辐射的贯穿能力极强，能穿透几厘米厚的铅板。当时知道，能有这样强辐射能力的只有γ射线。因此，他们认为这种辐射是γ射线的一种。
1931年，法国物理学家居里夫妇用当时最强大的放射性钋Po源所产生的α射线重复了博特-贝克尔的实验，研究了用α粒子轰击铍时发生的"铍辐射"，除了得到与博特-贝克尔相同的结果外，他们还惊奇地发现，这种辐射能将含氢物质中的质子击出。人们从未发现γ射线具有这种性质，但居里夫妇想不出这种辐射还能是什么别的东西。他们仅仅报道说，发现α射线能够产生一种新的作用。
1932年这些结果公布后，见到德国和法国同行的实验结果，查德威克意识到，这种新射线可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立即利用实验室的优越条件重复了同样的实验，证明所谓"铍辐射"是电中性的粒子流，而且这种粒子具有几乎与质子相等的质量。不到一个月，查德威克就发表了《中子可能存在》的论文，他指出，γ射线没有质量，根本不可能将质子从原子核是撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能，他并且测量了中子的质量，确证了中子确实是电中性的。
电子的发现
上个世纪中随着加速器技术的不断进步，“基本”粒子像大雨一般倾泻而下，然后再被理论和实验证明为“不基本”而逐一排除。在这之中有一个异类，它是最早被人们所认识的亚原子粒子，但自从它被发现以来，就一直坐在“基本粒子”的宝座上，一百多年来都未被撼动。这个基本粒子家族中的辈分最高者就是电子。
尽管电子的发现是在1897年，但做好这个发现的准备用了可以说将近一个世纪。1811年阿伏伽德罗提出阿伏伽德罗假说：同温同压同体积的气体含有同样多的分子。这位老兄比较悲惨，他死于1956年，但他的假说直到1960年才被普遍接受，假说才被换成“定律”。科学史上这种死后才被平反的例子举不胜举，同样比较惨的还有数学天才伽洛瓦，二十岁尝遍人间艰辛，死于决斗，死后十四年成果才被发表。波动光学的提出者惠更斯在有生之年都被牛顿打压，直到死后四十年他的成果才被承认……大家感兴趣可以google一下。
在1833年，阿氏定律仍是假说时，法拉第提出了电解定律，说1摩尔任何原子的单价离子带的总电量相同。如果把这个结果和阿氏假说结合起来就可以推测到电荷一定存在最小单位。但是这个结合一直没有人敢做——都是“假说”这两个字害的。直到阿氏定律被平反之后的1874年，斯通尼才走出了这一步，并结合实验结果推出了这一基本电荷电量的近似值，并于1881年正式将其命名为“电子”。
看见了吧，电子的名字都有了，但人们却连它的影子还没看到。也许你不会相信，在19世纪末，人们在原子是否存在这个问题上还存在相当程度的争执。所以人们对物质基本结构的观念基本上还是一片空白，根本没有预料到电子的发现会在什么场合，什么现象中，它和原子又有什么样的关系。
现在虽然人们普遍承认电子是由汤姆孙在1897年发现的，但事实上在他之前有不止一个人做过类似的实验。我们来看看究竟是什么不同让汤姆孙最终获得了这个荣誉。
这几个人做的实验都是关于阴极射线的。所以在说发现电子的实验之前我们需要先看看什么是阴极射线。阴极射线顾名思义是阴极放出来的射线。我们现在知道它实际上就是电子束。阴极射线是怎样产生的呢？学过高中物理的同学都知道光电效应，也知道光电流的产生，即电子脱离金属表面，需要光子提供一个溢出功。这个溢出功当然不是只有光子才能提供，任何来源的能量都是一样的。所以我们可以将金属加温，让其温度变得很高，高温相当于粒子热运动加剧，电子热运动动能足够大时同样可以从金属表面溢出。这时我们再以这块金属作为阴极（负极），在相距一定距离的地方设一个正极，溢出金属表面的电子就可以在电场作用下向阳极运动，形成电子束即阴极射线。
在汤姆孙实验之前，克鲁克斯已经提出阴极射线是由带负电的微粒组成的，因而汤姆孙就能够在这个观点的指引下直接去测这种微粒的电荷、质量，而不用费脑筋再去考虑阴极射线的本质。这一点其实是很关键的，我下边会提到。
汤姆孙实验的原理其实很简单，电子在与其运动方向垂直的电场中会偏转，实验中表现为阴极射线的的打在与其正对的荧光屏上的点会偏移。由其偏移的方向可以判断出阴极射线带负电。再加上一个和电场方向相反的磁场，电子受的洛仑兹力与电场力反向，当光点偏移为零时说明二力相等。从两个力的比值可以求得电子的电荷和质量之比。汤姆孙在这些数据的基础上，宣布了电子的存在。
做类似实验的两个人，其中之一就是大名鼎鼎的赫兹。麦克斯韦的电磁理论在他有生之年一直未被承认（哦，这又是死后平反的一个例子，上面忘了说了），直到死后八年才被赫兹的电磁波实验证实。麦克斯韦方程组是很伟大的，证实它的实验也同样伟大，而且赫兹还有幸发现了光电效应。但很可惜上帝没能再多给他一个荣誉。科学研究有所谓“嗅觉”一说，大意就是你能不能找到正确的方向。爱因斯坦很是鼓吹这个，同样的好像还有杨振宁。但我不知道在一定意义上成者王侯败者寇的科学史上，这种所谓“嗅觉”是不是运气成分居多，毕竟爱因斯坦的“嗅觉”在他后半生可是没起什么好作用（关于统一场论，我以后会细说）。
赫兹做的实验从原理上说和汤姆孙一样，都是在阴极射线垂直方向加电场，又比汤姆孙早了好几年，按理说是占据先机的，但却得到了错误的结果。原因嘛，不能免俗，分为主观和客观。客观上有一个很致命的原因，就是赫兹做实验的时候真空技术还不够火候，残余空气分子电离，将外加的静电场的抵消了，结果是阴极射线的荧光轨迹看起来根本不偏转，于是赫兹认为阴极射线不带电。主观原因恰恰出在赫兹最出名的成果——电磁波上。赫兹坚持认为阴极射线是一种电磁波，这个无偏转的实验进一步证实了他的看法，于是他在剩下的日子里一直守住这个观点不放。赫兹的“嗅觉”在这上面出了问题。而汤姆孙从一开始就倾向于相信阴极射线是由微粒组成，这在一定程度上导致了他的最终成功。
与赫兹相比，更倒霉的是德国的考夫曼。他也做了类似的实验，时间同样是在1897年。但他测得的电子电荷质量比远比汤姆孙的精确，与现代值仅相差百分之一，他甚至还得到了这个比值随电子速度变化而变化的结果，这不是别的，正是爱因斯坦的狭义相对论效应，而这时离狭义相对论诞生还有八年！考夫曼本应由于这个实验扬名立万的，但他纯粹是由于自己的偏见——认为阴极射线不可能是粒子，而不敢发表自己的成果，一直压到1901年才发表。这样一来，我们可以看到汤姆孙从一开始就相信阴极射线是由粒子组成是多么重要了吧。
关于电子发现的历史暂且先说到这里。最后说几个关于电子的稍微现代一点的事实。电子发现得最早，而且是最适宜研究的基本粒子。看一下上一章里列出的所有基本粒子，电子比其他的轻子寿命长的多（一个“多”字太苍白了，如同属轻子的μ子寿命在10的负6次方秒，而电子根本不衰变），比中微子容易和其他粒子作用（一个中微子可以轻松地穿过1000光年厚的铅版），相比其他如夸克（由于色禁闭不能直接观测）、W、Z什么见都见不着的，实在是再理想不过的观测对象了。但时至今日，仍未发现电子有任何内部结构，依然是纯粹的点。尽管近年来实验观测到电子周围有由于真空极化机制（以后会说）产生的虚粒子“气”，但显然这不能算作电子自身的结构。
另外，我们认为电子的电量和质子的电量是相等的，但这完全是基于实验结果的一个假定（目前精确到10的负21次方），并没有更深层的理论可以导出这一点。
最后，电子的质量由于相对论效应随着运动速度的增大而增大，但电子的电荷却是严格不变的，其中有什么原理现在还不得而知。
