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發現背景 1920年，盧瑟福就在著名的貝克爾演講（Bakerian Lecture）中做出中子存在的理論預言。為了檢驗盧瑟福的假說，卡文迪什實驗室從1921年就開始了實驗工作。 盧瑟福曾請格拉森（J.L.Glasson）在氫氣中放電 時尋找中子的產生，不久，羅伯茲（J.K.Roberts）也 做了類似的實驗。 1923年查德威克得到盧瑟福的贊同，用游離室和 點計數器作為檢測手段,嘗試在大質量的氫化材料中 檢測γ輻射的發射。 在初步作了這些嘗試之后，查德威克考慮到中子 只有在強電場中形成的可能性，但沒有合適的變壓器 可用。 正當查德威克著手進一步開展探討中子的研究 時，柏林的玻特（Ｗ.Bothe）和巴黎的約里奧-居里夫圖13.1 盧瑟福正在演講 婦（Joliot-Curies）相繼發表了他們的實驗結果。 玻特是德國著名物理學家，曾在蓋革的研究所里工作。從1928年起，玻特和他的學生貝克爾（H.Becker）用釙發射的α粒子轟擊一系列輕元素，發現α粒子轟擊鈹時，會使鈹發射穿透能力極強的中性射線，強度比其它元素所得要大過十倍。用鉛吸收屏研究其吸收率，證明這種中性輻射比γ射線還要硬。1930年，玻特和貝克爾率先發表了這一結果，并斷定這種貫穿輻射是一種特殊的γ射線。 在巴黎， 居里實驗室的約里奧-居里夫婦也正在進行類似實驗。他們把石蠟板放在放射源和游離室之間，發現靜電計偏轉激增。石蠟含氫，會不會是氫核被鈹輻射撞擊形成新的射線？于是他們加磁場進行檢驗，磁場果然對這一射線有作用。遺憾的是，他們在肯定石蠟發出的是質子流之后，也和玻特一樣，把鈹輻射看成是γ射線。 1932年1月18日約里奧-居里夫婦宣布，鈹輻射的能量是如此之大，竟能把氫核（質子）從石蠟板中撞擊出來。 隨后，他們還用云室拍到了質子流的照片，但他們沒有擺脫玻特的錯誤解釋。 人物介紹 查德威克 Sir James Chadwick(1891-1974) —英國劍橋大學卡文迪什實驗室實驗物 理學家中子的發現 1935年諾貝爾物理學獎-因發現中子 圖13.4 查德威克 查德威克從1921年就開始了中子的實驗探索工作。他目標明確，前后12年，經歷了許多曲折，終于成功。 1914年當他還是學生時，就發現b射線能譜是連續的。 1/3 1919年查德威克回到英國，隨盧瑟福來到卡文迪什實驗室，協助盧瑟福完成人工核轉變的實驗研究。 1920年他通過鉑、銀和銅核研究a粒子的散射，直接測出了原子核的電荷，從而完全證實了盧瑟福的原子理論和關于元素的核結構以及核電荷數與元素的原子序數相等的結論。 1923年當上了卡文迪什實驗室助理主任。 1935-1948年任利物浦大學教授。 1948年起任劍橋大學戈維爾和凱爾斯學院院長。 1927年當選為英國皇家學會會員。劍橋、牛津等許多大學都授予他榮譽學位。 1945年被封為爵士。 1974年7月24日在英國劍橋逝世，享年83歲。 發現過程 約里奧－居里夫婦的實驗對查德威克有極大的啟發。當查德威克讀到約里奧－居里在《法國科學院通報》（Comptes Rendus）上的文章，文中報告了鈹輻射極其驚人的特性，他立即告訴了盧瑟福。盧瑟福表示不相信，建議盡快做實驗進行檢驗。這時查德威克正好準備開始實驗，因為他已制備好了釙源。他以客觀的態度工作，幾天緊張的實驗，就證明了這些奇異效應是某種中性粒子的作用。他還測出了這種粒子的質量。盧瑟福1920年假設的中子終于出現了。 1932年2月17日，查德威克寫信給《自然》（Nature）雜志，發表了他的結果，這篇通信的題目叫：“中子可能存在”，離約里奧－居里的文章不到一個月。接著，在《英國皇家學會通報》上他又發表了題為“中子的存在”一文，詳細報告了實驗結果及理論分析. 查德威克做了如下實驗： (1) 考察反沖現象的普遍性。他把各種輕元素和氣體一一進行試驗，證明毫無例外地都會發生核反沖現象。 (2) 檢驗碰撞的能量關系。查德威克用石蠟做吸收實驗，在石蠟板和游離室之間放置不同厚度的鋁片，作吸收曲線，由此測出石蠟放出的質子具有5.7×106電子伏的能量。如果鈹輻射是由γ光子組成，根據能量守恒定律和動量守恒定律，可以像康普頓效應那樣計算出γ光子的能量應為55×106電子伏。用同樣的鈹輻射轟擊氮，從云室中氮的反沖核留下的徑跡, 估計氮核能量約為1.2×106電子伏，計算得到的γ光子能量應為90×106電子伏。這就表明：如果用與量子的碰撞來解釋反沖原子，則當被碰撞原子的質量增加時，必須假設這一量子的能量越來越大。 查德威克在論文中寫道：“顯然，在這些碰撞過程中，我們要么放棄應用能量與動量守恒，要么采用另一個關于輻射本性的假設。如果我們假設這一輻射不是量子輻射（即γ光子）而是質量與質子幾乎相等的粒子，所有這些與碰撞有關的困難都會消除?” 于是，查德威克就假定鈹輻射是盧瑟福預言的中子。 (3) 用云室測中子質量。將氮充入云室，從云室觀測到氮原子在鈹輻射（中 8子）轟擊后的反沖速度為4.7×10厘米／秒，與同樣的鈹輻射（中子）轟擊石 蠟得到的質子速度3.3×109厘米／秒進行比較，可以粗略求得鈹輻射的粒子質量與質子的質量非常接近。 2/3 查德威克還進一步根據質譜儀測得的數據推算出了中子的精確質量為 1.0067（原子質量單位），并對中子的性質進行了詳盡的分析，以確鑿的事實證明中子的存在。 發現的突破點 查德威克發現中子不是偶然的事件。他是在盧瑟福的中子假說指導下，經過多年的努力，反復試驗、多方探索才取得成功的。 從發現中子的歷史可以看出，科學上的重大成果往往是許多人共同努力的結果。玻特和約里奧－居里夫婦雖然失去了發現中子的機會，但他們還是作出了自己的貢獻，為查德威克提供了事實和經驗。 查德威克如此快就取得這樣重大的成果，還和卡文迪什實驗室整個集體的支持分不開的。盧瑟福自不待說，其他成員，包括年輕的研究生和來自各地的研究人員也大力相助，發揮了集體的智慧和力量。當時，盧瑟福的親密同事，來自蘇聯的卡皮查曾組織過一“俱樂部”，每周定期聚會，交談工作中的問題和體會。這一天，正好查德威克做了有關鈹輻射的實驗，對中子的存在還沒有完全把握，他把實驗情況和自己的想法向大家談了。關于中子的認識在卡文迪什實驗室里早已盡人皆知，沒有人懷疑。這時七嘴八舌地議論了近一個小時。有的建議用云室，有的提供質譜儀的新近情況，有的自告奮勇協助查德威克??這大大地促進了中子實驗的進程，使查德威克迅速由“中子可能存在”轉變為肯定“中子的存在”，盡快地作出了科學結論。 而查德威克高明之處在于，能洞察這些事實和經驗的本質，認真地加以檢驗，取其精華，去其粗偽。他之所以能做到這一點，當然是和他在盧瑟福的中子假說指導下，長期進行探索，具有充分的思想準備和技術準備分不開的。而盧瑟福的中子假說，又是總結了多年來原子核研究的實踐，根據遇到的矛盾提出來的，它為實驗研究指明了方向。 實驗是物理學的基礎，是新發現的泉源，但是實驗離開了理論的指導，缺乏正確的理論思維，就可能成為盲目的實踐。 對科學史的影響 在原子物理學的發展中，1932年發現中子是又一件劃時代的大事。中子的發現引起了一系列后果：第一是為核模型理論提供了重要依據，蘇聯物理學家伊萬寧科（D.Ivanenko）據此首先提出原子核是由質子和中子組成的理論；其次是激發了一系列新課題的研究，引起一連串的新發現；第三是找到了核能實際應用的途徑。用中子作為炮彈轟擊原子核，比α粒子有大得多的威力。因此，可以說中子的發現打開了原子核的大門。 近水樓臺先得月 在1920年，著名英國原子物理學家盧瑟福就曾預言，在原子內可能存在一種質量與質子著不多的中性粒子。他曾就此內容到法國作了演講。當時，約里奧夫婦（著名科學家居里夫人的女婿和長女）一則忙于實驗工作，二則認為那不過是科普講演，無關緊要，于是沒有去聽。結果他們失去了一個很重要的理論信息。 1928年，德國物理學家玻特和貝克實驗獲得一種穿透性很強的輻射。他們簡單地認為這種神秘的射線不過是一種電磁波，便沒有深究。而這次卻引起了約里奧夫婦的注意，他們繼續了玻特等人的研究，進而用實驗證明這種射線不可能是電磁波。但它是什么呢？他們亦感困惑不解，卻沒作進一步探索，就將實驗結果于1932年1月發表了。 一個月以后，這個謎被盧瑟福的助手、英國物理學家查德威克解開了：鈹放出的不是電磁波，其質量幾乎與質子相同，是不帶電的中子。 結果，查德威克因發現了中子而獲得了1935年度的諾貝爾物理獎。像約里奧夫婦一樣貽誤發現中子良機的還有奧地利女物理學家梅特涅和她的中國學生王淦昌。1930年，王淦昌在柏林大學參加一次有關原子結構的討論會，他突然來了靈感，設想做一個類似查德威克的實驗。他曾向自己的導師梅特涅幾次建議做這種實驗，但都被困于傳統觀念的梅特涅拒絕了。 查德威克的成功，一是因為將盧瑟福的假設牢記在心，對中子的概念早有精神準備；二是因為能及時抓住信息和時機，他一看約里奧夫婦的實驗報告，很快按中子的可能性來設計實驗，有的放矢。小居里夫婦本已把發現中子的實驗做了80％，證據都到手了，可惜由于信息閉塞，科學視野沒有放開，因此漏掉了一項對核物理有著巨大而深遠影響的重大發現。 根據上面所講的原子核模型預測，盧瑟福的實驗中氮原子核被α粒子轟擊后放出質子而變成氧原子核。真的是這樣嗎？還需要作實驗證實。 科學家布拉克特用云霧室研究了這個核反應。 云霧室是盧瑟福的老同事威爾遜發明的。這是一個圓盒子，盒子中的空氣含有過飽和的水蒸氣，當帶電粒子穿過盒子里的空氣時，沿途就會產生一串離子，而水蒸氣就會圍繞這串離子結成小水珠，形成一條白色的云霧，因此可以很清楚地顯示出帶電粒子飛過的徑跡。加上磁場以后，從這條白色的云霧的長短、濃淡和彎曲的方向、程度就可以分析出帶電粒子的性質。這可以用照相的方法記錄下來。 布拉克特使α粒子打進充有氮氣的云霧室，然后拍照。他拍了23000張照片，結果只照到了8張人工核反應的照片。這是1925年的事情。在照片上，像掃帚一樣的一簇白線是α粒子的徑跡，其中有一條中途停止了（說明α粒子打到氮核里去了），然后又分為兩個叉，一條細而長的是質子的徑跡，另一條短而粗的是生成的氧原子核的徑跡。盧瑟福的發現被研究得更清楚了。 新的發現、新的理論、新的方法鼓舞著各國的科學家去作新的實驗和新的探索。 德國有個青年科學家叫貝特。他想：為什么α粒子打到核里去只會放出質子呢？難道就不可能放出電子（也就是β射線）和γ射線嗎？那些天然放射性元素大都會放出α射線或β射線，并且常常伴有γ射線，但是不放出質子。 他研究了盧瑟福做的實驗，注意到盧瑟福是通過觀察硫化鋅熒光屏是否發生閃光來判斷有無核反應發生的。貝特知道，α粒子或質子打在硫化鋅上會發出閃光，但是，如果有β射線或γ射線射在硫化鋅上，卻不會發出閃光。因此，即使有放出β射線和γ射線的核反應發生，盧瑟福也觀測不到。 盧瑟福曾經用α粒子射擊過鋰、鈹、硼，他沒有看到閃光，所以他認為用α粒子射擊這幾種元素不發生核反應。 貝特想，α粒子既然能打到氮、鎂、硫、鉀等的原子核中去，為什么就不會打到鋰、鈹和硼的原子核中去呢？可能打進去以后放出來的不是質子，而是不會使熒光屏閃光的β射線、γ射線等別的什么粒子。如果真是這樣，用什么方法才能觀測到它們呢？ 這時候，盧瑟福的學生蓋革也在德國工作，他發明了計數器，利用電子學儀器，可以測量各種射線，并計算粒子的數目或射線的強度。用了這種新儀器就不需要躲在黑屋子里數熒光屏上的閃光了。 貝特用計數器去進行研究。他用釙作為α粒子的放射源，因為釙只放射α粒子，不放射β射線和γ射線，這就使實驗簡單多了。 對著α粒子源安裝了計數管，由于釙不發射β射線和γ射線，而發射出來的α粒子又穿不透計數管的玻璃壁，所以計數管沒有計數。 但是，只要在α粒子源和計數管之間放上涂有鋰、鈹或硼的片，計數管就開始計數了。這說明α粒子打到了鋰的、鈹的或硼的原子核上，發生了核反應，并且放出了某種射線。其中以鈹放出來的射線最強烈。 這是什么射線呢？貝特作了測試實驗。他加上電場和磁場試了試，發現射線在電場和磁場中不會偏轉，說明射線不帶電荷，不是β射線，也不是α粒子和質子。他又用2厘米厚的鉛板試了試，射線還是穿透過去了，強度只減弱13％。他認為，這種射線是極強的γ射線。 貝特發現用α粒子射擊鋰、鈹和硼也會發生核反應，這是完全正確的。他認為反應結果是放出γ射線，這一點后來證明是錯誤的。 在法國，居里夫人的女兒伊倫·居里和女婿約里奧-居里已經成長為原子科學家。小居里夫婦也在做貝特做過的實驗。他們讓鈹發出的射線通過石蠟，結果產生了高速的質子。看來是石蠟中的氫被鈹發出的射線碰出來了。 這個實驗又轉到英國，查德威克用鈹發出來的射線射擊氫，發現了高速的質子；射擊氮原子，氮原子也被推動了，只是速度比質子小得多；射擊氬，氬原子也被推動了，速度又小一些。這說明鈹發出來的射線不應該是γ射線，而是具有一定質量的某種粒子。 經過反復的實驗，查德威克認為α粒子打在鈹核上產生的不是γ射線，而是一種高速的不帶電荷的中性粒子。這種粒子同氫、氮、氬的原子核碰撞，就把它們彈開了，正像他和盧瑟福以前研究的α粒子彈開氫原子核的情形一樣。 那么這種不帶電荷的中性粒子的質量有多大呢？查德威克根據實驗結果算出來，它的質量與質子幾乎一樣大。 查德威克把這種不帶電荷的中性粒子叫做“中子”。 中子是人們過去還不知道的粒子，現在由鈹原子核中打了出來，這說明原子核中有中子。 這樣一來，組成宇宙間萬物的基本磚石就不只是質子和電子兩種了，又多了一種——中子。 就在發現中子的1932年，人們利用云霧室還發現了由地球外面的宇宙空間射來的一種電子，它帶著陽電荷，而質量和普通的帶陰電荷的電子一樣。這就是正電子。 問題又復雜起來了。 |
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