重核裂变的发现_重核诱发裂变
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重核裂变的发现
人工放射性引起的重要事件是重核裂变的发现，但是人们对重核裂变的认识却有一个曲折过程。
费米的中子实验
费米（Enrico Fermi，1901—1954）是意大利物理学家，1926年时只有25岁，就当上了罗马大学理论物理学教授。1927年曾提出一种统计理论（即费米一狄拉克统计），在微观世界有广泛运用，是核物理学的理论基础之一。1933年，费米提出β衰变理论。在国际上享有很高声望，国内成了意大利振兴物理学的中坚人物。由于他的努力，罗马在30年代成了世界上又一个物理学研究中心。
1934年约里奥一居里发现人工放射性的消息传到罗马，使费米想到用中子作为人射粒子要比α粒子有效得多。这个想法实际上早在1920年卢瑟福就提出过。费米预计到，困难在于中子不会自发地由物质发射出来，还要靠α粒子轰击某些元素。例如被，这个过程只有十万分之一的几率，即十万个α粒子才能激发一个中子。这样低的效率，当然很难保证一定成功。正好这时费米的理论工作有一段空闲，他决心亲自试试。因为只有实践才能取得第一手资料。
费米周围有一批合作者，例如：西格雷（E．Segr6）、阿玛尔迪（E．Amaldi）、拉塞第（F．Rasetti），后来还有达哥斯廷诺（O．D′Agostino）。他们大多是实验家。费米在他们的协助下，用镭射气和被作为中子源，按着周期表的顺序依次轰击各种元素。他的目的显然是要检测中子作人射粒子的有效性，以及在中子轰击下产生放射性的可能性。1934年3月25日寄出了第一篇通信，报导在轻元素中获得了人工放射性，其中包括氟和铝。
费米小组继续进行实验，他们用中子辐照了68种元素，其中有47种产生了新的放射性产物。
费米原来想尽快结束实验，以便继续他的理论工作。那里知道竟出现了意想不到的事情，使费米小组作出了更大的发现。
是“超铀元素”吗？
1934年夏天来到之前，费米小组依顺序用中子轰击当时所知的最重元素——铀23592U，得到了半衰期为13分钟的一种放射性产物。经过分析，测出这种产物的化学性质，发现它不属于从铅到铀之间的那些重元素。这个结果和用中子轰击其它重元素不一样，使费米等人大为惊异。其实，这就是最早出现的重核裂变现象。不过，从费米当时掌握的实验证据，难以作出这一判断，他们也不可能想到这种可能性。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，在《自然》杂志上发表这一信息，文中写道：
“13分钟的放射性与很多重元素等同的否定证据，提示了这样的可能性：元素的原子序数也许大于92。如果它是93号元素，它应在化学上与锰及锌类似。这一假设在某种程度上还得到下列事实的支持：不溶于盐酸溶液的硫化铁可以携带着13分钟放射物沉淀下来。”
如果真是93号元素，那确是一件大事。大于92号的元素就叫做超铀元素。不过，费米并未作定论。可是这件事被意大利当时的法西斯政权利用，大肆宣传是法西斯主义在文化领域里的胜利。费米对此极为不满，郑重声明，尚须作若干精密实验，才能肯定93号元素的生成。
这个问题历经4—5年还没有查清楚，却有更多的事实对“超铀元素”的假说有利。欧洲好几个研究机构，特别是巴黎的居里实验室和柏林大学的化学研究所都肯定了费米的实验，甚至后来还陆续“发现”了94号、95号、96号以至97号元素。“超铀元素”的说法已经得到科学界的公认。某些教科书把它当作“新成就”列入教材，甚至1938年费米获诺贝尔物理奖时还把超铀元素的生成作为他的主要功绩之一。只有一位德国的女化学家，叫诺达克（F．Noddack）在1934年9月对费米的超铀元素假说表示怀疑，发表文章说：“可以想象，当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻。”但是她也只是一种猜测，既没有亲自动手做实验，也没有认真分析他人的结果。
后来判断，费米1934年的铀实验结果是很复杂的，确也含有超铀元素的成分，不过费米测量的不是这一部分。
发现慢中子的作用
1934年10月，费米小组又发现一新奇现象。阿玛尔迪等人正在辐照一块银制圆筒，圆筒中间是中子源，整个装置又放在防护用的铅盒内。他们发现，银的放射性随装置在铅盒中的位置而变动。鉴于铅是重元素，费米建议他们用质轻的材料，例如石腊试试。他们把大块石腊挖了个洞，把中子源放在里面，然后辐照银圆筒，没有想到，由于石腊的在场，银的放射性竟增大了百倍。再放到水下实验，证实水也有类似的作用。费米即时对这个现象作了解释，认为是氢核（即质子）与中子的质量相近，由于它的在场，中子碰撞后速度大大减慢。速度低，被原子核俘获的机会增多，因此放射性的生成也就大大增加。
认识到慢中子的作用，对重核裂变的发现提供了重要前提，因为这就大大增强了中子轰击的效果。
接近于成功
1937年，伊伦·居里和沙维奇（P．Savitch）在用中子辐射钠盐时，发现一新现象，分离出来一种半衰期为3．5小时的成分，其化学除质很像镧。镧是稀土族元素中的第一名，原子序数为57，与它化学性质相近的重元素是锕89Ac。他们先判断3．5小时放射物为钢，但进一步追踪，当用结晶分离法分离出钢时，出乎意料，3．5小时的放射性却不在附中，镧的放射性倒反而加强了。本来他们已经接近于铀核分裂的结论，可是他们却没有迈出这关键的一步。在1938年5月的《科学院通讯》上，他们写道：
“用快中子或慢中子辐照的铀中，产生了一种放射性元素，半衰期为3．5小时，其化学特性很像镧。„„它或许也是一种超铀物质，但我们暂时还未确定其原子序数。”
后来查明，在他们的铀裂变产生的碎片中，还有一种元素，叫钇（Y），其半衰期也正好是3．5小时，居里小组没有能够完全把3．5小时的放射性分离出来，所以无法作出准确的判断。
哈恩作出精确分析
哈恩（Otto Hahn，1879—1968）是德国化学家，早年曾随卢瑟福和拉姆塞（W．Ramsay）从事放射性研究，发现过射钛和射钢。1907年，在柏林大学化学研究所工作。女物理学家迈特纳（Lise Menner，1878—1968）和他在那里开始了长期合作，1917年共同发现钱。
迈特纳是犹太血统的奥地利人，由于种族迫害，在他们的研究到了最关键的1938年，被迫离开德国。
不久，伊伦·居里和沙维奇报导闻出现的文章传到哈恩这里。他认为没有可能，一定是居里和沙维奇搞错了，就和助手斯特拉斯曼（F．Stramann）立即重复居里的实验。
他们用慢中子轰击铀。经过一系列精细的实验在铀的生成物中找到一种放射性物质，其放射性的半衰期为4小时，接近3．5小时，不过，化学性质却与期不同，而与钡类似。但是钡的原子序数是56，与镭同一族。他们想也许这是糟的一种尚未发现的同位素。可是，费尽心机也无法从钡中分离出那种放射性的“镭”，它总是伴随作为载体的钡沉淀。他们只好承认它就是钡。后来又经过多次实验，证实了伊论·居里和沙维奇的结果，确有澜的生成。也就是说，他们从化学分析得到的结果，无可辩驳地肯定了中间化学元素（镧和钡）的出现。
哈恩对这件事情实在无法理解，他如实地报导了实验结果。1939年1月德国的《自然科学》杂志发表了哈恩和斯特拉斯曼的论文。在结尾中，他们写道：
“作为化学家，我们真正应将符号Ba、La、Ce引进衰变表中来代替Ra、Ac、Th，但作为工作与物理领域密切相关的‘核化学家’，我们又不能让自己采取如此剧烈的步骤来与核物理学迄今所有的经验相抗庭。也许一系列巧合给了我们假象。”
肯定了裂变
上述这篇论文还未发表，哈恩就写信告诉了正在斯德哥尔摩诺贝尔研究所工作的迈特纳。她有一个侄子，叫弗利希（Otto Frisch）也是物理学家，1934年流亡到国外，在玻尔的理论物理研究所工作。他们利用圣诞节假到瑞典南部会面，自然就要对哈恩的结果讨论一番。弗利希起初对哈恩的结果表示怀疑，但迈特纳坚信哈恩工作严谨，不可能有错。在争论中，弗利希想起了玻尔不久前提出的“液滴核模型”。这个模型是说，在某些情况下，可以把核想象成液滴，核子（质子和中子）就像真正的水分子。强相互作用造成的“表面张力”使核平常保持球形，但在外来能量的作用下，“液滴”也可能由于振动而拉长。他们想，如果这时被中子击中，也许会以巨大的能量分裂。
几天后，弗利希回到哥本哈根，正值玻尔准备离开去美国。弗利希告诉他哈恩的化学结论和自己跟迈特纳的看法。玻尔听了十分高兴，惊呼：“正应该如此。”重核裂变的现象终于真相大白。弗利希和迈特纳随即联名写文论证重核裂变的产生。“裂变”（fiion）一词就是他们提出来的。
玻尔将重核裂变的新进展向华盛顿的第五届理论物理讨论会作了汇报。正好费米也参加了这个会议。与会者对这个问题极感兴趣。就在会议期间，华盛顿卡尔内奇（Carnegie）学院、约翰·霍普金斯大学、哥伦比亚大学都分别证实了这一现象。
重核裂变的实验验证
重核裂变是首先用化学方法作出发现的，人们也许要问，为什么在这以前没有人用物理方法对这一现象进行探索？难道实验者没有机会碰到发现裂变的机遇吗？
其实，在1938年就有一位德国物理学家，名叫德罗斯特（G．v．Droste），他在用游离室观测铀和钦在中子轰击下所产生的α粒子时，就有机会观测到裂变。当时他为了防止铀和钍的天然放射性所发射的α射线干扰实验，特意在铀和针上仔细覆盖了一层很薄的金属箔。这层箔正好有效地隔绝了可能出现的裂变碎片。因为裂变碎片比他要找的α粒子大得多，带有更多的电荷，所以在金属箔中的行程也短得多。德罗斯特由于过分的细心，反而失去了发现核裂变的机会。归根到底，还是因为他没有往裂变的方向去想。可见，没有正确的物理思想作为指导，实验者常常会迷失方向。
当然，重核裂变之所以首先在核化学领域中得到发现，还是应归功于化学分析的高度精确性，当时物理手段还很难达到这一水平。
不过，认识到了重核裂变的可能性，在人们精心设计的条件下，用物理实验方法验证重核裂变的发生还是很简便的。当时用物理方法研究重核裂变现象的途径大致有四种：
1．用游离室记录裂变后产生的带电碎片所引起的巨大电脉冲。铀在正常辐射中发出的α和β粒子也会引起游离室游离，但比起裂变碎片来要小得多。所以，当中子源（例如：镭和被在一起）靠近铀时，就有可能从示波器观测到裂变现象。哥伦比亚大学用的就是这种方法。
其实，（后来才知道）最先是哥本哈根的弗利肯用游离室观测到了重核裂变。不过，他不是用电子示波器，而是用机械示波仪。他在发表“裂变”之后不久，就作出了这个实验。
2．迈特纳曾建议：取一块金属板置于铀层附近用中子轰击铀使之裂变，有可能在金属板上残留下轻元素的原子。美国加州贝克利分校的麦克米伦（E．McMillan）采用了她的方案。具体做法如图11－4。在纸板上涂一层极薄的铀，靠着纸板平行地放着一叠铝箔，暴露在回旋加速器的中子源前，然后分别测量各片铝箔的放射性。经两小时的轰击后，测量所得曲线如图11－5。法国的约里奥也用这一方法观测到了裂变现象。
3．用威尔逊云室直接观测，可以把裂变碎片的径迹拍成照片。加州大学的考尔松（D．R．Corson）和邵恩通（R．L．Thornton）1939年2月用这一方法观察到了铀核裂变。他们把UO3涂在胶棉薄膜上，和中子源一起放在云室中。885张照片中有25例显示两根重粒子径迹，从薄膜的同一点沿相反方向反冲。
4．用X射线标识谱分析技术。这个方法是从莫塞莱在1914年创立起就用于鉴别元素的内层结构，对于检验元素的周期性，起过重要作用。从1938年起，加州大学的阿贝尔森（P．Abelson）用这个方法鉴别铀受中子辐照后的生成物。他的目的是要经X射线标识谱来确定半衰期为72小时的一种未知的“超铀元素”。如果真是超铀元素，其K谱系谱线波长相应的能量应比铀的高。可是实验结果却低得多。这本来足以证明生成物不是超铀元素，而是某种中间元素。可是阿贝尔森并不死心，而是准备试着把这一谱线归属于L谱系。他正在为难之际，裂变被发现了，他得知这一消息，马上明白了自己遇到困难的原因。他发现，原来他的生成物是53号元素碘的同位素。于是他的工作成了重核裂变又一个有力的实验验证。从这一事例可以说明，只要认真做下去，即使没有核化学的发现在前，物理学家迟早总会用物理方法直接观测到重核裂变的。当然，观念的改变越早，这项工作的进程就会越顺利。
链式反应
重核裂变一经证实，人们立即转向由此可能释放的核能。许多实验证实了理论预期的能量，但是要利用这一巨大的能源，必要的条件是有可能产生自持的链式反应。
1939年3月间，约里奥所在的巴黎核化学实验室，费米所在的哥伦比亚大学和西纳德（L．Szilard）所在的纽约大学同时对这项研究作出了贡献。
约里奥和他的同事首先提出了“中子过剩”问题。比较核的组成可以发现，轻核一般是质子和中子数量近于相等，中等大小的核往往中子数略大于质子数，而重核则中子数较质子数大得多。于是在重核分裂为两个较轻的核时，必然出现中子过剩的情况。如果过剩的中子又去轰击别的重核，不就可以出现连锁反应了吗？
然而，事情并不如此简单。多余的中子会不会被吸收？会不会转变为质子？有没有可能出现连锁反应？唯一的答案只能依靠实验。
约里奥的实验是用镝（66Dy）探测器测量两种溶液中慢中子的密度分布。一种是硝酸铵，一种是硝酸铀酰。测量距中子源（镭十铍）不同距离处的中子密度。实验证明由于铀的存在，在一段距离之外，中子密度比没有铀的情况大些，有可能产生链式反应。
费米小组证明铀核每次裂变产生的中子平均数可能是2，他们选择铀235和石墨作试验。在美国军方的支持下，开始了曼哈顿（Manhattan）工程。这实际上是一座试验性的原子反应堆。这一工程是1941年12月开始的。费米选了芝加哥大学的一座运动场的看台下的网球场作为试验区。他和一大批物理学家以及工程技术人员研究了各种设计方案。他们认为，要实现自持的链式反应，必须解决两个问题。一是要找到合适的减速剂，把快中子变为慢中子，才能有效地激发核裂变；重水（即D2O）虽然效果好，但不易制备，成本太高。普通水（即H2O）也可以充当减速剂，但又减速太快，甚至还有很强的吸收效应，所以也不能用。费米建议用石墨。为此他和同事们做了大量实验，研究石墨的吸收中子和慢化中子的特性。另一个问题是必须严格控制裂变反应的速率，使裂变既能不断进行，又不致引起爆炸。他们利用福吸收中子的特性，把镉棒插入反应堆，通过调节铜棒深度，来控制裂变反应的速率。后来又想出把反应堆设计成立方点阵的方案，铀层和石墨层间隔地布置在方阵中。
1942年12月1日，最后一层石墨和铀砖砌好，反应堆已达临界状态。次日上午，抽出控制用的镉棒，果然产生了自持的链式反应。当时得到的功率仅有0．5瓦。但这却是人类第一次实现了原子能的可控释放。从此人类开始了原子能利用的新纪元。
原子核模型理论
正如原子模型的建立是原子物理学史的重要组成部分一样，原子核模型的建立也是原子核物理学史的重要组成部分。模型是人类认识自然的必要途径，也是理论思维的一种方式。在物理学的研究中，往往是先提出恰当的模型，然后才能得出简明的运动规律，建立适宜的理论体系。恰当的模型，可以概括已知的事实，这些事实经一定的理论联系在一起，得到统一的解释，而建立在可靠事实基础上的理论进一步又能预言新的事实，指导人们作出新的发现。
然而，原子核模型的研究，比起原子模型来，经历了漫长得多的过程，至今仍在发展之中。几十年来，先后有好几种核模型被提出，它们从不同侧面反映了原子核的某些现象和某些性质，每种模型都只能解释一定范围内的实验事实，难以用同一种模型概括和解释全部实验事实。这反映原子核的复杂性，也反映了人们对原子核的认识还不很充分。下面略举几种最著名的核模型。
1．气体模型，是费米在1932年提出的，他把核子（中子和质子）看成是几乎没有相互作用的气体分子，把原子核简化为一个球体，核子在其中运动，遵守泡利不相容原理。每个核子受其余核子形成的总势场作用，就好象是在一势阱中。由于核子是费米子，原子核就可看成是费米气体，所以，对核内核子运动起约束作用的主要因素就是泡利不相容原理。但由于中子和质子有电荷差异，它们的核势饼的形状和深度都各不相同。
气体模型成功之处，在于它可以证明质子数和中子数相等的原子核最稳定。这一结论与事实相符。再有，用气体模型计算出的核势饼深度约为一50meV，与其它方法得到的结果接近。不过这一模型没有考虑核子之间的强相互作用，过于简单，难以解释后来发现的许多新事实。
2．液滴模型，是N．玻尔和弗伦克尔在1935年提出的。其事实根据有二，一是原子核每个核子的平均结合能几乎是一常数，即总结合能正比于核子数，显示了核力的饱和性，另一是原子核的体积正比于核子数，即核物质的密度也近似于一常数，显示了原子核的不可压缩性。这些性质都与液滴相似，所以把原子核看成是带电荷的理想液滴，提出液滴模型。
1936年玻尔用这个模型计算核反应截面，由此说明了一些核现象。1939年玻尔和惠勒在解释重核裂变时，又用上了液滴模型。但是早期的液滴模型没有考虑核子运动，所以不能说明核的自旋等重要性质。后来加进某些新的自由度，液滴模型又有新的发展。
3．壳层模型，是迈耶（M．G．Mayer）夫人和简森（J．H．D．Jensen）在1949年各自独立提出的。在这之前，当有关原子核的实验事实不断积累时，1930年后不久，就有人想到，原子核的结构可以借鉴于原子壳层的结构，因为自然界中存在一系列幻数核，即当质子数Z和中子数N分别等于下列数（称作幻数）之一：2、8、20、28、50、82、126时，原子核特别稳定。这跟元素的周期性非常相似，而原子的壳层结构理论正是建立在周期性这一事实基础之上的。
然而，最初的尝试却是失败的，人们从核子的运动，求解薛定愕方程，却得不到与实验相等的幻数。再加上观念与壳层模型截然相反的液滴模型已取得相当成功，使得人们很自然地对壳层模型采取否定态度。
后来，支持幻数核存在的实验事实不断增加，而不论是气体机型还是液滴模型，都无法对这一事实作出解释。直到1949年，迈耶和简森由于在势研中加入了自旋－轨道耦合项，终于成功地解释了幻数，并且计算出了与实验正好相符的结果。
壳层模型可以相当好地解释大多数核基态的自旋和宇称，对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果；但对电四极矩的预计与实验值相差甚大，对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于实验值，这些不足导致了核的集体模型的诞生。
4．集体模型也叫综合模型，是 1953年由 A．玻尔（A．Bohr）和莫特尔逊（B．B．Mottelson）提出的。在他们之前，雷恩沃特（L．J．Rainwater）1950年就曾指出：具有大的电四极矩的核素，其核不会是球形的，而是被价核子永久地变形了。因为原子核内大部分核子都在核心，核心也就占有大部分电荷，因此即使出现小的形变，也会导致产生相当大的四极矩。在这一思想的基础上，A．玻尔和莫特尔逊提出了集体模型。他们指出，不仅要考虑核子的单个运动，还要考虑到核子的集体运动。集体模型（综合模型）实际上是刺原子核中单粒子运动和集体运动进行统一描写的一种唯象理论。
壳层模型和集体模型各有成功之处，把两种模型综合起来，可以更全面地解释各种原子核的实验事实。
衰变的研究和中微子的发现
随着原子物理和核物理的发展，本世纪30年代开始，从核物理又分出了一个分支，专门研究基本粒子的性质、运动和相互作用、相互转化的规律以及这些粒子的内部结构，这就是粒子物理学。由于新发现的粒子能量一般都很大，所以也称高能物理学。前面已经介绍过电子、质子、中子、正电子的发现，下面再介绍中微子等粒子的发现经过。粒子物理学在其发展过程中不断得到新发现的补充，构成了现代物理学的主干学科之一。
中微子概念的提出
中微子概念的提出，与原子核的β衰变有直接联系。1914年查德威克证明α射线和γ射线的能谱是分立的，α衰变和γ衰变中发射的粒子所带走的能量正好与原子核初态末态的能量差相等。然而，β射线的能谱却有明显的不同，是连续谱而不是分立谱。也就是说，β衰变放射出来的电子，能量从零到某一个最大值都有分布，可是，原子核的初态和末态能量都是稳定的非常分明的定值。衰变电子的能量竟会小于两态之间的差值。人们感到极为迷惑。那一部分能量到哪里去了？是什么原因造成β连续谱的呢？
物理学家对这个问题提出了不同的见解。例如，迈特纳曾认为，β射线通过原子核的强电场时会辐射一部分能量。但1927年埃利斯（C．D．Ellis）和伍斯特（W．A．Wooster）用量热学实验精确地测量这一辐射能量，并没有测到任何能量损失。这一结果曾促使N．玻尔一度主张，有可能能量守恒只是在统计意义上成立，对每一次衰变并不一定成立。
泡利不相信在自然界中唯独β衰变过程能量不守恒。他在1930年提出：“只有假定在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使中子和电子的能量之和为常数，才能解释连续β谱。”这里泡利所谓的“中子”，实际上是后来的中微子。他还指出：这种中微子的速度不同于光子，质量很轻，穿透力极强，因此很难探测到。
泡利的中微子假说提出后，不少人持怀疑态度。但费米不仅接受了这一假说，还在1934年进一步引出了弱相互作用的β衰变理论。
费米认为，正象光子是在原子或原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微
－子是在R衰变中产生的。他指出β衰变的本质是核内一个中子变为质子，β+衰变是一个质子变为中子。中子与质子可以看成是核子的两个不同状态，因此，中子与质子之间的转变相当于一个量子态跃迁到另一量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子，它们事先并不存在核内，导致产生光子的是电磁相互作用，而导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用，费米称之为弱相互作用。
分衰变就是那一年约里奥—居里夫妇发现的放射正电子的人β+放射性。
接着，维克（G．C．Wick）和贝特（H．Bethe）又分别根据费米理论预言了轨道电子俘获过程的可能性。这一现象于1938年被阿尔瓦雷兹（L．W．Alvarez）观察到了。
费米的β衰变理论取得了很大成功，得到了公认。然而直到40年代初，还没有任何实验能够实际观测到中微子的存在。
中微子存在的间接验证
中微子的性质很独特，它不带电，不能引起电高效应，不参与电磁相互作用和强相互作用，所以很难观测到它的踪迹。它很稳定，要观测到必须通过它与物质的相互作用。
1933年，埃利斯和莫特（N．F．MOtt）分析了ThC衰变为ThD的两个分支，提出与泡利一样的假设。
1934年，亨德森（W．J．Henderson）利用磁聚焦的方法测量ThC和ThC″的β连续能谱的上限，发现p曲线的上限急剧中断，与泡利预计的相符。
1938—1939年间，克兰（H．R．Crane）和哈尔彭（J．Halpern）用云室观察放射性元素38Cl和β衰变，从观察到的电子在磁场中的偏转和核反冲的径迹，估算原子核的能量和动量，数据表明在衰变中存在第三个粒子。
在探测中微子历程中，我国物理学家王淦昌作出过突出的贡献。1941年，王淦昌从抗战中的中国后方向《物理评论》投寄论文，题为《关于探测中微子的建议》。他分析了克兰和哈尔彭有关β衰变中核反冲的实验后，认为由于反冲原子的电离效应大小，有必要用不同的方法来探测中微子。他指出：“当一个β+放射性原子不是放射一个正电子而是俘获一个K层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放射的中微子，原子核外电子的效应可以忽略不计。于是，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就比较容易找到所放射的中微子的质量和能量。而且，由于没有连续的β射线放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。”他还建议以7Be为实验样品，通过K俘获的两种不同过程得到7Li的反冲能量。
文章发表于1942年。同年艾伦（J．S．Alien）就按照王涂昌的方案测量了7Li的反冲能量，取得了肯定的结果，但由于所用样品较厚以及存在孔径效应，没有观察到单能的7Li反冲。后来，又有几起实验均未获成功，直到1952年，罗德拜克（G．W．Rodeback）和艾伦的37Ar的K俘获实验才第一次测出37Cl的单能反冲能。同年戴维斯（R．
Davis）测出’Li的单能反冲能量，与王涂昌的预期相符，间接地得到了中微子存在的实验证据。
直接捕捉中微子
1953年，美国洛斯阿拉莫斯实验室的雷因斯（F．Reines）和柯恩（C．L．Cowan，Jr．）利用美国原子能委员会在南卡罗来纳州的萨凡纳河工厂的大型裂变反应堆，设计了一个规模巨大的实验方案。他们研究＋P→e++n反应，若能探测出反应的产物，正电子e+和中子n，并测出确切的反中微子与质子p的反应截面，就可以证明反中微子的存在。
经过艰苦的工作，雷因斯和柯恩小组终于在1956年宣布，实验结果与理论预期相符，从而打消了关于中微子存在的任何怀疑。
介子理论和μ子的发现
在研究原子核性质的过程中，逐渐明确了核子之间的相互作用是一种短程力，其作用范围约为1013厘米。这种力远比电磁相互作用强大，因此不能简单归结为电磁相互作用，它是一种强相互作用。
1935年日本物理学家汤川秀树（H．Yukawa）提出介子理论，用厂解释强相互作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子（meson）的粒子发生相互作用。根据核力的作用范围，可以估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。
1937年，安德逊和尼德迈耶（S．H．Neddemeyer）在宇宙线的研究中果然发现了质量约为电子的207倍的新粒子，这种粒子被称为μ介子。当时人们以为这就是汤川理论所预言的介子。但是后来又经过多年的研究，证明μ介子与原子核的相互作用很弱，不可能是汤川所预计的介子。直到1947年，英国物理学家鲍威尔（C．F．Powell）用核乳胶技术探测宇宙射线，发现另外还有一种粒子，质量为电子静止质量的273倍，被称为π介子。π介子才真正是汤川理论所预言的粒子。然而，进一步研究表明，核力的机制远比汤川理论复杂，不能简单地用核子之间交换粒子来解释，但汤川理论仍不失为粒子物理学历史上的重要工作。汤川型粒子是人们研究的一种重要模型，至今仍是研究的对象。
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强子结构和夸克理论
1932年查德威克发现中子，是继1911年卢瑟福论证原子有核之后的又一重大进展，从此关于原子核结构的知识与日俱增。不久海森伯提出核是由质子和中子构成的主张，于是中子、质子和电子被认为是物质的三种基本成分。后来又认识到，质子和中子是比电子复杂的粒子，因为核子具有反常磁矩，会产生出乎意料的强磁场，这只能解释成核子内部有电流。五十年代，用电子散射方法研究核子结构，对核子内部电荷分布和磁性分布进行了测量。与此同时，一大批强子陆续被发现，这些强子的性质与核子类似。于是促使人们进行有关强子结构与分类的研究，最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁。1949年他们提出，当时已知的所有原子核及介子，都是由质子、中子和它们的反粒子组成。1955年，坂田推广了费米一杨模型，提出所有强子都是由质子、中子和超子以及它们的反粒子组成。
1961年盖耳曼（M．Gell－Mann）和奈曼（Y．Ne′man）提出用SU（3）对称性对强子进行分类的“八重法”。
1964年，盖耳曼据此预言的重子fi被实验证实，进一步促使他提出假设，即作为SU（3）群的物理基础的三重态，不仅是某种数学框架，而是三种不同的粒子。盖耳曼统称之为夸克，并且认为，夸克是自然界中更基本的物质组成单元，所有已知的强子都是由这三种夸克及其反粒子组成。由于夸克模型能够成功地解释许多已知事实，把极为复杂的事情变得非常简单，所以这一模型理论立即得到人们的普遍重视，于是掀起了一场寻找夸克的热潮。人们用海水和陨石作实验，探测宇宙射线，运用各种高能加速器，希望能找到夸克存在的证据。然而各
种尝试最终都归于失败。
1967年，美国斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）建成一座长达3千米的电厂白线加速器，可使电子加速到20GeV。以费里德曼（J．1．Friedman）、肯德尔（H．W．Kendall）和泰勒（R．E．Taylor）为核心的实验小组用这台进行深度非弹性电子质子散射实验，得到了意想不到的结果。当时有一位理论家布约肯（D．Bjorken）把他们的新发现归结为所谓的无标度性（scalins）。然而，无标度性表示什么物理意义，一时尚不明了。
这时著名物理学家费因曼正好提出了部分子（Parton）模型，他认为SLAC的深度非弹性电子质子散射的反常结果，可以用部分子模型作出非常形象的说明。只要把核子看成是由许多部分子组成，电子打进去，跟部分子发生了弹性磁撞，就可以解释上述现象。因此，无标度性正是部分子模型的重要证据。
费因曼的部分子模型实际上就是盖耳曼的夸克模型。人们很快就明白了，这两种模型是等同的。于是夸克理论得到了实验的证实。
奇异粒子的研究
1947年在宇宙射线的研究中，首先观察到了奇异粒子，但只是在1954年加速器实验中产生了奇异粒子之后，再经过系统研究，这类粒子的“奇异”特性才逐渐明朗。所谓奇异粒子，是指当时新发现的一大批新粒子，如K+、K0、K、K0、Λ、∑+、∑0、∑、Ξ0、Ξ+等等，它们的共同特点是：当它们由于粒－
－子之间相互碰撞而产生时，总是一起产生，而且产生得很快，可是衰变却各自独立地行事，而且衰弱得很慢。简单说来，就是它们总是协同产生、非协同衰变。1953年盖耳曼用一个新的量子数，即奇异数来表述这一特性，并假定在强相互作用中奇异数守恒，而在弱相互作用中奇异数可以个守恒，这样就可以对奇异粒子的特性作出恰当的解释。
当时对最轻的奇异粒子（现在称为K介子）的衰变过程发现了一个疑难，即所谓的“θ-τ”疑难。这个疑难在于：实验中发现了质量、寿命和电荷都相同的两种粒子，一个叫θ介子，另一个叫τ介子。这两种粒子唯一的区别在于：θ介子衰变为两个π介子，而τ介子衰变为三个π介子。分析实验结果可以得出：三个π介子的总角动量为零，宇称为负，而两个π介子的总角动量如为零，则其宇称只能为正。鉴于质量、寿命和电荷这三项相同，这两种粒子应是同一种，但从衰变行为来看，如果宇称应守恒，则θ和τ不可能是同一种粒子。
1956年，李政道和杨振宁对历史和现状作了全面考察，他们指出，这一疑难的关键在于人们认为微观粒子在运动过程中宇称必须守恒，强相互作用和电磁相互作用的过程中，宇称守恒是经过检验的，但在弱相互作用的过程中，宇称并没有得到判决性的检验，没有根据说它一定守恒。如果在弱相互作用过程中，宇称可以不守恒，则θ-τ疑难将迎刃而解。
李政道和杨振宁在他们的论文中还提出可以通过β衰变，π-μ-e衰变和奇异粒子Λ0衰变等实验来检验宇称是否守恒。这些实验的原理是，设置两组含弱相互作用而互为镜象的实验装置，考察这两组装置是否得出相同的结果，如果结果不一样，就可以肯定宇称不守恒。其中β衰变可以选钴－60（60Co），测量极化的60Co原子核所放射的β粒子（即电子）的角分布，从而检验左右是否对称。
另一位华裔美籍物理学家吴健雄率先用Co实验对宇称守恒作了检验。她证明在β衰变过程中，宇称确是不守恒的。
宇称守恒定律在弱相互作用领域中被推翻，使人们的传统观念受到冲击，极大地推动了粒子物理学的发展。
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