3. 不帶電的中子
中子是一個非常活躍的微觀粒子， 它在整個原子世界中扮演著十分重要的角色。它的發現使原子核物理學進入了一個新階段， 就是借助於它， 人類打開了核能利用的大門。
在中子被發現之前， 已有物理學家對它的存在作出了預言， 其中最著名的是盧瑟福於1920 年6 月在一篇報告中提出的關於存在中子的假設。
盧瑟福是怎麽想到中子的呢？ 當盧瑟福剛發現質子以後， 就有人提出原子核是由帶一個正電荷的質子組成的。但是， 這種看法很快就遇到了嚴重的困難。比如， 氦原子， 它的原子核帶兩個單位正電荷， 但它的質量卻是氫原子核的4 倍。這就產生了一個矛盾， 如果從質量上看， 氦原子核是由4 個氫原子核， 也就是4 個質子組成的。可是， 氦原子核隻帶兩個單位正電荷， 這就有另外兩個質子所帶的正電荷下落不明的問題。如果從電荷的角度看， 氦原子核隻能有兩個質子， 這就有多出相當於兩個質子的質量的問題。再如碳原子， 它有6 個電子， 它的原子核帶有6 個單位正電荷。如果說原子核是由原子組成的， 那麽碳原子核就應由6 個質子所組成。但是， 矛盾十分明顯， 因為碳原子核的質量大約是質子質量的12 倍， 這和氦原子核所遇到的問題是一樣的。
解決這個矛盾的出路就在於修正關於原子核的組成。盧瑟福提出了一個嶄新的想法， 可能有一種質量與質子的質量相近的中性粒子存在。這種中性粒子和質子共同組成了原子核。有了這種中性粒子， 上述矛盾就都解決了。比如碳原子核是由6 個質子和6 個中子組成的， 中子的質量又與質子差不多， 那麽就正好使碳原子核的質量滿足了是氫原子核質量12 倍這一條件。不過， 盧瑟福的猜測中存在錯誤。他認為這中性粒子不是別的， 就是質子和電子的結合體。雖然這一錯誤影響了對中性粒子作進一步的設想， 但是盧瑟福的預言， 對他的學生和合作者查德威克產生了很大的影響， 啟發查德威克去對這個中性粒子作認真地探索。查德威克做了許多實驗， 試圖在氫氣放電等實驗中找到中性粒子的存在， 可惜一直沒有成功。
1930 年， 也就是盧瑟福作出存在中性粒子預言後10 年， 情況發生了變化。德國物理學家波特和貝克在做用α粒子轟擊較輕的元素的實驗， 當他們用α粒子轟擊元素鈹時， 發現了一種穿透能力很強的射線， 它能穿過較厚的鉛板。為了解這種射線的性質， 他們將射線置於電場和磁場下， 結果觀察到， 這種射線在電場和磁場的作用下並沒有產生彎曲的現象。這說明它是不帶電的。這實際上已經找到了盧瑟福所預言的中性粒子， 但是波特和貝克卻沒有意識到， 他們認為這種射線是極強的α射線。
在巴黎， 居裏實驗室的約裏奧―居裏夫婦， 也在進行類似的實驗， 他們也得到了波特和貝爾克所發現的那種射線。
為了更多地了解這種射線的性質， 他們把一塊含有豐富氫原子的石臘， 放在鈹和探測微觀粒子的計數裝置之間。實驗中， 發現計數大增， 顯然由石臘出來的射線具有更強的輻射。在磁場下， 這種射線產生了微小的彎曲， 經過比較， 證明這是速度很高的質子流。約裏奧・居裏夫婦和波特一樣，也把鈹的輻射看作是γ射線， 並且認為質子流的產生是由於γ粒子撞擊石臘中的氫原子的結果。
就這樣， 波特和貝克、約裏奧―居裏夫婦就都錯過了發現中子的機會。特別是約裏奧―居裏夫婦， 如果他們讀過並領會盧瑟福1920 年的報告， 肯定會對這個實驗結果有新的理解和解釋。另外， 約裏奧―居裏夫婦的失誤還在於他們沒有認真分析高速質子的動量和能量。波特和貝克曾用當時比較成熟的方法測量了他們認為的γ射線的能量， 測得的結果是這種γ射線的能量是5 兆電子伏。可是， 如果約裏奧・居裏實驗中的質子流看作是γ射線撞擊的結果， 可以算出這種γ射線的能量應當在50 兆電子伏左右。這樣， 矛盾就出來了。矛盾意味著這種射線有著不同尋常的本質。
當查德威克見到約裏奧―居裏夫婦的研究報告之後， 便立即意識到α粒子撞擊鈹所產生的射線可能就是他尋找已久的中性粒子。查德威克用釙作α粒子源， 並安裝了新的探測器， 開始了緊張的實驗。他先是複核了波特和貝克、約裏奧・居裏夫婦的實驗結果。後來又進一步用α粒子轟擊鈹所發射出來的射線去撞擊氮原子等， 結果都產生了反衝核， 也就是說鈹發射出的射線能把氮等原子的原子核撞擊出來。1932 年2 月， 查德威克詳細報告了他的實驗結果及理論分析。他特別分析了實驗中的能量問題。除了前麵已經提到的能量問題以外， 查德威克還測出氮的反衝核能量為1. 2 兆電子伏。如果仍假定引起這種反衝的輻射線是γ射線的話， 可以推算出， 這種γ射線的能量將不是50 兆電子伏， 而是90 兆電子伏。這一結果有些離奇。當它撞擊出氫原子核時， 它具有50 兆電子伏的能量； 當它撞擊出氮原子核時， 它又具有90 兆電子伏的能量； 這種γ射線的能量竟隨被撞擊的原子核的質量增大而增大。查德威克意識到， 要麽是堅持認為這種輻射是γ射線而放棄能量守恒守律； 要麽是對這種輻射作出新的解釋。查德威克尋找中性粒子已有近10 年的曆史， 他果斷地選取了後一種立場。他提出， 應放棄把這種射線看成是γ射線的看法， 而把它看成是一種質量與質子質量很接近的中性粒子。這樣， 上述那些矛盾就都迎刃而解了。查德威克這樣分析這種中性射線撞擊出氮原子核等的實驗結果： 中性粒子的質量與質子質量差不多， 這就好像把一個彈性小球射向另一個靜止的、具有同樣質量的彈性小球； 如果瞄得準的話， 兩個彈性小球碰個正著， 原來入射的彈性球把動能交給靜止的彈性球而自己靜止下來； 被碰撞的彈性球則得到動能向前運動。查德威克的這一解釋是合理的， 但倘若能夠確認這種中性粒子的質量， 就更具有說服力了。
當時， 查德威克所在的英國劍橋大學卡文迪許實驗裏， 有阿斯頓發明的質譜儀， 這種儀器可用來確定帶電的粒子的質量， 但對測定中性粒子的質量卻還無能為力。查德威克就測定了反衝原子核的動能、動量以及行飛速度， 然後根據能量守恒定律， 推算出中性粒子的質量。計算結果表明， 如果取質子的質量為1， 那麽中性粒子的質量為1. 15 。中性粒子的質量與質子相近， 隻是稍稍重一點。
這樣， 查德威克通過實驗和分析， 宣告了中性粒子的發現。他把這種不帶電荷的粒子叫做中子。中子作為一個新發現的粒子， 是通過α粒子把它從鈹原子核中打出來的， 這說明原子核中有中子。
中子的發現經曆了一段曲折的曆史。一項重大的發現從約裏奧・居裏夫婦的手中溜走了， 而查德威克則取得了成功。這裏一個很重要的原因是， 查德威克有充分的精神上的準備。所以， 中子從他手中發現， 是具有一定必然性的。據傳， 盧瑟福堅持把發現中子的諾貝爾物理學獎發給查德威克， 說他完全應該得到它。有人對盧瑟福提出， 約裏奧・居裏對中子的發現做出了必不可少的貢獻。盧瑟福回答道， 發現中子的諾貝爾獎單獨給查德威克， 至於約裏奧・居裏夫婦， 他們是那樣聰明， 不久會因別的項目而獲獎的。
中子的發現， 又引起了連鎖反應。一方麵， 它的發現為核模型理論提供了重要的依據， 形成了原子核是由質了和中子組成的正確認識。另一方麵， 中子的問世又激發了一係列新的研究課題。特別是它引起了人工核反應研究的迅速發展， 從而打開了核能實際應用的大門。
就在1932 年， 查德威克發現中子不久， 一位德國物理學家就提到， 這種粒子可能成為釋放沉睡在物質中的強大力量的最好工具。但是， 他的話沒有引起人們的密切注意。這其中， 一些權威的意見起了很大的作用。對於核能的利用在最初是遭到了一些著名的物理學家們的懷疑與否定。盧瑟福就是其中的一位， 他認為釋放核能的效率是極低的， 把核能看作一種能源隻是紙上談兵而已。盧瑟福作為一位傑出的物理學家， 他曾經培養、啟發、指導了許多年輕物理學家作出有價值的研究工作。但是， 在核能的問題上， 他卻表現出缺乏科學的預見。這件事告訴我們， 在科學上既要尊重權威， 但又不要迷信權威。
在中子被發現之前， 已有物理學家對它的存在作出了預言， 其中最著名的是盧瑟福於1920 年6 月在一篇報告中提出的關於存在中子的假設。
盧瑟福是怎麽想到中子的呢？ 當盧瑟福剛發現質子以後， 就有人提出原子核是由帶一個正電荷的質子組成的。但是， 這種看法很快就遇到了嚴重的困難。比如， 氦原子， 它的原子核帶兩個單位正電荷， 但它的質量卻是氫原子核的4 倍。這就產生了一個矛盾， 如果從質量上看， 氦原子核是由4 個氫原子核， 也就是4 個質子組成的。可是， 氦原子核隻帶兩個單位正電荷， 這就有另外兩個質子所帶的正電荷下落不明的問題。如果從電荷的角度看， 氦原子核隻能有兩個質子， 這就有多出相當於兩個質子的質量的問題。再如碳原子， 它有6 個電子， 它的原子核帶有6 個單位正電荷。如果說原子核是由原子組成的， 那麽碳原子核就應由6 個質子所組成。但是， 矛盾十分明顯， 因為碳原子核的質量大約是質子質量的12 倍， 這和氦原子核所遇到的問題是一樣的。
解決這個矛盾的出路就在於修正關於原子核的組成。盧瑟福提出了一個嶄新的想法， 可能有一種質量與質子的質量相近的中性粒子存在。這種中性粒子和質子共同組成了原子核。有了這種中性粒子， 上述矛盾就都解決了。比如碳原子核是由6 個質子和6 個中子組成的， 中子的質量又與質子差不多， 那麽就正好使碳原子核的質量滿足了是氫原子核質量12 倍這一條件。不過， 盧瑟福的猜測中存在錯誤。他認為這中性粒子不是別的， 就是質子和電子的結合體。雖然這一錯誤影響了對中性粒子作進一步的設想， 但是盧瑟福的預言， 對他的學生和合作者查德威克產生了很大的影響， 啟發查德威克去對這個中性粒子作認真地探索。查德威克做了許多實驗， 試圖在氫氣放電等實驗中找到中性粒子的存在， 可惜一直沒有成功。
1930 年， 也就是盧瑟福作出存在中性粒子預言後10 年， 情況發生了變化。德國物理學家波特和貝克在做用α粒子轟擊較輕的元素的實驗， 當他們用α粒子轟擊元素鈹時， 發現了一種穿透能力很強的射線， 它能穿過較厚的鉛板。為了解這種射線的性質， 他們將射線置於電場和磁場下， 結果觀察到， 這種射線在電場和磁場的作用下並沒有產生彎曲的現象。這說明它是不帶電的。這實際上已經找到了盧瑟福所預言的中性粒子， 但是波特和貝克卻沒有意識到， 他們認為這種射線是極強的α射線。
在巴黎， 居裏實驗室的約裏奧―居裏夫婦， 也在進行類似的實驗， 他們也得到了波特和貝爾克所發現的那種射線。
為了更多地了解這種射線的性質， 他們把一塊含有豐富氫原子的石臘， 放在鈹和探測微觀粒子的計數裝置之間。實驗中， 發現計數大增， 顯然由石臘出來的射線具有更強的輻射。在磁場下， 這種射線產生了微小的彎曲， 經過比較， 證明這是速度很高的質子流。約裏奧・居裏夫婦和波特一樣，也把鈹的輻射看作是γ射線， 並且認為質子流的產生是由於γ粒子撞擊石臘中的氫原子的結果。
就這樣， 波特和貝克、約裏奧―居裏夫婦就都錯過了發現中子的機會。特別是約裏奧―居裏夫婦， 如果他們讀過並領會盧瑟福1920 年的報告， 肯定會對這個實驗結果有新的理解和解釋。另外， 約裏奧―居裏夫婦的失誤還在於他們沒有認真分析高速質子的動量和能量。波特和貝克曾用當時比較成熟的方法測量了他們認為的γ射線的能量， 測得的結果是這種γ射線的能量是5 兆電子伏。可是， 如果約裏奧・居裏實驗中的質子流看作是γ射線撞擊的結果， 可以算出這種γ射線的能量應當在50 兆電子伏左右。這樣， 矛盾就出來了。矛盾意味著這種射線有著不同尋常的本質。
當查德威克見到約裏奧―居裏夫婦的研究報告之後， 便立即意識到α粒子撞擊鈹所產生的射線可能就是他尋找已久的中性粒子。查德威克用釙作α粒子源， 並安裝了新的探測器， 開始了緊張的實驗。他先是複核了波特和貝克、約裏奧・居裏夫婦的實驗結果。後來又進一步用α粒子轟擊鈹所發射出來的射線去撞擊氮原子等， 結果都產生了反衝核， 也就是說鈹發射出的射線能把氮等原子的原子核撞擊出來。1932 年2 月， 查德威克詳細報告了他的實驗結果及理論分析。他特別分析了實驗中的能量問題。除了前麵已經提到的能量問題以外， 查德威克還測出氮的反衝核能量為1. 2 兆電子伏。如果仍假定引起這種反衝的輻射線是γ射線的話， 可以推算出， 這種γ射線的能量將不是50 兆電子伏， 而是90 兆電子伏。這一結果有些離奇。當它撞擊出氫原子核時， 它具有50 兆電子伏的能量； 當它撞擊出氮原子核時， 它又具有90 兆電子伏的能量； 這種γ射線的能量竟隨被撞擊的原子核的質量增大而增大。查德威克意識到， 要麽是堅持認為這種輻射是γ射線而放棄能量守恒守律； 要麽是對這種輻射作出新的解釋。查德威克尋找中性粒子已有近10 年的曆史， 他果斷地選取了後一種立場。他提出， 應放棄把這種射線看成是γ射線的看法， 而把它看成是一種質量與質子質量很接近的中性粒子。這樣， 上述那些矛盾就都迎刃而解了。查德威克這樣分析這種中性射線撞擊出氮原子核等的實驗結果： 中性粒子的質量與質子質量差不多， 這就好像把一個彈性小球射向另一個靜止的、具有同樣質量的彈性小球； 如果瞄得準的話， 兩個彈性小球碰個正著， 原來入射的彈性球把動能交給靜止的彈性球而自己靜止下來； 被碰撞的彈性球則得到動能向前運動。查德威克的這一解釋是合理的， 但倘若能夠確認這種中性粒子的質量， 就更具有說服力了。
當時， 查德威克所在的英國劍橋大學卡文迪許實驗裏， 有阿斯頓發明的質譜儀， 這種儀器可用來確定帶電的粒子的質量， 但對測定中性粒子的質量卻還無能為力。查德威克就測定了反衝原子核的動能、動量以及行飛速度， 然後根據能量守恒定律， 推算出中性粒子的質量。計算結果表明， 如果取質子的質量為1， 那麽中性粒子的質量為1. 15 。中性粒子的質量與質子相近， 隻是稍稍重一點。
這樣， 查德威克通過實驗和分析， 宣告了中性粒子的發現。他把這種不帶電荷的粒子叫做中子。中子作為一個新發現的粒子， 是通過α粒子把它從鈹原子核中打出來的， 這說明原子核中有中子。
中子的發現經曆了一段曲折的曆史。一項重大的發現從約裏奧・居裏夫婦的手中溜走了， 而查德威克則取得了成功。這裏一個很重要的原因是， 查德威克有充分的精神上的準備。所以， 中子從他手中發現， 是具有一定必然性的。據傳， 盧瑟福堅持把發現中子的諾貝爾物理學獎發給查德威克， 說他完全應該得到它。有人對盧瑟福提出， 約裏奧・居裏對中子的發現做出了必不可少的貢獻。盧瑟福回答道， 發現中子的諾貝爾獎單獨給查德威克， 至於約裏奧・居裏夫婦， 他們是那樣聰明， 不久會因別的項目而獲獎的。
中子的發現， 又引起了連鎖反應。一方麵， 它的發現為核模型理論提供了重要的依據， 形成了原子核是由質了和中子組成的正確認識。另一方麵， 中子的問世又激發了一係列新的研究課題。特別是它引起了人工核反應研究的迅速發展， 從而打開了核能實際應用的大門。
就在1932 年， 查德威克發現中子不久， 一位德國物理學家就提到， 這種粒子可能成為釋放沉睡在物質中的強大力量的最好工具。但是， 他的話沒有引起人們的密切注意。這其中， 一些權威的意見起了很大的作用。對於核能的利用在最初是遭到了一些著名的物理學家們的懷疑與否定。盧瑟福就是其中的一位， 他認為釋放核能的效率是極低的， 把核能看作一種能源隻是紙上談兵而已。盧瑟福作為一位傑出的物理學家， 他曾經培養、啟發、指導了許多年輕物理學家作出有價值的研究工作。但是， 在核能的問題上， 他卻表現出缺乏科學的預見。這件事告訴我們， 在科學上既要尊重權威， 但又不要迷信權威。
