中子的发现

　发现背景
1920年，卢瑟福就在著名的贝克尔演讲（Bakerian Lecture）中做出中子存在的理论预言。为了检验卢瑟福的假说，卡文迪什实验室从1921年就开始了实验工作。
卢瑟福曾请格拉森（J.L.Glasson）在氢气中放电
时寻找中子的产生，不久，罗伯兹（J.K.Roberts）也
做了类似的实验。
1923年查德威克得到卢瑟福的赞同，用游离室和
点计数器作为检测手段,尝试在大质量的氢化材料中
检测γ辐射的发射。
在初步作了这些尝试之后，查德威克考虑到中子
只有在强电场中形成的可能性，但没有合适的变压器
可用。
正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究 时，柏林的玻特（Ｗ.Bothe）和巴黎的约里奥-居里夫图13.1 卢瑟福正在演讲 妇（Joliot-Curies）相继发表了他们的实验结果。
玻特是德国著名物理学家，曾在盖革的研究所里工作。从1928年起，玻特和他的学生贝克尔（H.Becker）用钋发射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发射穿透能力极强的中性射线，强度比其它元素所得要大过十倍。用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬。1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的γ射线。
在巴黎， 居里实验室的约里奥-居里夫妇也正在进行类似实验。他们把石蜡板放在放射源和游离室之间，发现静电计偏转激增。石蜡含氢，会不会是氢核被铍辐射撞击形成新的射线？于是他们加磁场进行检验，磁场果然对这一射线有作用。遗憾的是，他们在肯定石蜡发出的是质子流之后，也和玻特一样，把铍辐射看成是γ射线。
1932年1月18日约里奥-居里夫妇宣布，铍辐射的能量是如此之大，竟能把氢核（质子）从石蜡板中撞击出来。 随后，他们还用云室拍到了质子流的照片，但他们没有摆脱玻特的错误解释。
人物介绍
查德威克 Sir James Chadwick(1891-1974)
—英国剑桥大学卡文迪什实验室实验物
理学家中子的发现
1935年诺贝尔物理学奖-因发现中子

图13.4 查德威克
查德威克从1921年就开始了中子的实验探索工作。他目标明确，前后12年，经历了许多曲折，终于成功。
1914年当他还是学生时，就发现b射线能谱是连续的。

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1919年查德威克回到英国，随卢瑟福来到卡文迪什实验室，协助卢瑟福完成人工核转变的实验研究。
1920年他通过铂、银和铜核研究a粒子的散射，直接测出了原子核的电荷，从而完全证实了卢瑟福的原子理论和关于元素的核结构以及核电荷数与元素的原子序数相等的结论。
1923年当上了卡文迪什实验室助理主任。
1935-1948年任利物浦大学教授。
1948年起任剑桥大学戈维尔和凯尔斯学院院长。
1927年当选为英国皇家学会会员。剑桥、牛津等许多大学都授予他荣誉学位。
1945年被封为爵士。
1974年7月24日在英国剑桥逝世，享年83岁。
发现过程
约里奥－居里夫妇的实验对查德威克有极大的启发。当查德威克读到约里奥－居里在《法国科学院通报》（Comptes Rendus）上的文章，文中报告了铍辐射极其惊人的特性，他立即告诉了卢瑟福。卢瑟福表示不相信，建议尽快做实验进行检验。这时查德威克正好准备开始实验，因为他已制备好了钋源。他以客观的态度工作，几天紧张的实验，就证明了这些奇异效应是某种中性粒子的作用。他还测出了这种粒子的质量。卢瑟福1920年假设的中子终于出现了。
1932年2月17日，查德威克写信给《自然》（Nature）杂志，发表了他的结果，这篇通信的题目叫：“中子可能存在”，离约里奥－居里的文章不到一个月。接着，在《英国皇家学会通报》上他又发表了题为“中子的存在”一文，详细报告了实验结果及理论分析.
查德威克做了如下实验：
(1) 考察反冲现象的普遍性。他把各种轻元素和气体一一进行试验，证明毫无例外地都会发生核反冲现象。
(2) 检验碰撞的能量关系。查德威克用石蜡做吸收实验，在石蜡板和游离室之间放置不同厚度的铝片，作吸收曲线，由此测出石蜡放出的质子具有5.7×106电子伏的能量。如果铍辐射是由γ光子组成，根据能量守恒定律和动量守恒定律，可以像康普顿效应那样计算出γ光子的能量应为55×106电子伏。用同样的铍辐射轰击氮，从云室中氮的反冲核留下的径迹, 估计氮核能量约为1.2×106电子伏，计算得到的γ光子能量应为90×106电子伏。这就表明：如果用与量子的碰撞来解释反冲原子，则当被碰撞原子的质量增加时，必须假设这一量子的能量越来越大。
查德威克在论文中写道：“显然，在这些碰撞过程中，我们要么放弃应用能量与动量守恒，要么采用另一个关于辐射本性的假设。如果我们假设这一辐射不是量子辐射（即γ光子）而是质量与质子几乎相等的粒子，所有这些与碰撞有关的困难都会消除?”
于是，查德威克就假定铍辐射是卢瑟福预言的中子。
(3) 用云室测中子质量。将氮充入云室，从云室观测到氮原子在铍辐射（中
8子）轰击后的反冲速度为4.7×10厘米／秒，与同样的铍辐射（中子）轰击石
蜡得到的质子速度3.3×109厘米／秒进行比较，可以粗略求得铍辐射的粒子质量与质子的质量非常接近。
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查德威克还进一步根据质谱仪测得的数据推算出了中子的精确质量为
1.0067（原子质量单位），并对中子的性质进行了详尽的分析，以确凿的事实证明中子的存在。
发现的突破点
查德威克发现中子不是偶然的事件。他是在卢瑟福的中子假说指导下，经过多年的努力，反复试验、多方探索才取得成功的。
从发现中子的历史可以看出，科学上的重大成果往往是许多人共同努力的结果。玻特和约里奥－居里夫妇虽然失去了发现中子的机会，但他们还是作出了自己的贡献，为查德威克提供了事实和经验。
查德威克如此快就取得这样重大的成果，还和卡文迪什实验室整个集体的支持分不开的。卢瑟福自不待说，其他成员，包括年轻的研究生和来自各地的研究人员也大力相助，发挥了集体的智慧和力量。当时，卢瑟福的亲密同事，来自苏联的卡皮查曾组织过一“俱乐部”，每周定期聚会，交谈工作中的问题和体会。这一天，正好查德威克做了有关铍辐射的实验，对中子的存在还没有完全把握，他把实验情况和自己的想法向大家谈了。关于中子的认识在卡文迪什实验室里早已尽人皆知，没有人怀疑。这时七嘴八舌地议论了近一个小时。有的建议用云室，有的提供质谱仪的新近情况，有的自告奋勇协助查德威克??这大大地促进了中子实验的进程，使查德威克迅速由“中子可能存在”转变为肯定“中子的存在”，尽快地作出了科学结论。
而查德威克高明之处在于，能洞察这些事实和经验的本质，认真地加以检验，取其精华，去其粗伪。他之所以能做到这一点，当然是和他在卢瑟福的中子假说指导下，长期进行探索，具有充分的思想准备和技术准备分不开的。而卢瑟福的中子假说，又是总结了多年来原子核研究的实践，根据遇到的矛盾提出来的，它为实验研究指明了方向。
实验是物理学的基础，是新发现的泉源，但是实验离开了理论的指导，缺乏正确的理论思维，就可能成为盲目的实践。
对科学史的影响
在原子物理学的发展中，1932年发现中子是又一件划时代的大事。中子的发现引起了一系列后果：第一是为核模型理论提供了重要依据，苏联物理学家伊万宁科（D.Ivanenko）据此首先提出原子核是由质子和中子组成的理论；其次是激发了一系列新课题的研究，引起一连串的新发现；第三是找到了核能实际应用的途径。用中子作为炮弹轰击原子核，比α粒子有大得多的威力。因此，可以说中子的发现打开了原子核的大门。


　近水楼台先得月

　　在1920年，著名英国原子物理学家卢瑟福就曾预言，在原子内可能存在一种质量与质子着不多的中性粒子。他曾就此内容到法国作了演讲。当时，约里奥夫妇（著名科学家居里夫人的女婿和长女）一则忙于实验工作，二则认为那不过是科普讲演，无关紧要，于是没有去听。结果他们失去了一个很重要的理论信息。

　　1928年，德国物理学家玻特和贝克实验获得一种穿透性很强的辐射。他们简单地认为这种神秘的射线不过是一种电磁波，便没有深究。而这次却引起了约里奥夫妇的注意，他们继续了玻特等人的研究，进而用实验证明这种射线不可能是电磁波。但它是什么呢？他们亦感困惑不解，却没作进一步探索，就将实验结果于1932年1月发表了。

　　一个月以后，这个谜被卢瑟福的助手、英国物理学家查德威克解开了：铍放出的不是电磁波，其质量几乎与质子相同，是不带电的中子。

　　结果，查德威克因发现了中子而获得了1935年度的诺贝尔物理奖。像约里奥夫妇一样贻误发现中子良机的还有奥地利女物理学家梅特涅和她的中国学生王淦昌。1930年，王淦昌在柏林大学参加一次有关原子结构的讨论会，他突然来了灵感，设想做一个类似查德威克的实验。他曾向自己的导师梅特涅几次建议做这种实验，但都被困于传统观念的梅特涅拒绝了。

　　查德威克的成功，一是因为将卢瑟福的假设牢记在心，对中子的概念早有精神准备；二是因为能及时抓住信息和时机，他一看约里奥夫妇的实验报告，很快按中子的可能性来设计实验，有的放矢。小居里夫妇本已把发现中子的实验做了80％，证据都到手了，可惜由于信息闭塞，科学视野没有放开，因此漏掉了一项对核物理有着巨大而深远影响的重大发现。

　　根据上面所讲的原子核模型预测，卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗？还需要作实验证实。

　　科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。

　　云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子，盒子中的空气含有过饱和的水蒸气，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠，形成一条白色的云雾，因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后，从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。

　　布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室，然后拍照。他拍了23000张照片，结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上，像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹，其中有一条中途停止了（说明α粒子打到氮核里去了），然后又分为两个叉，一条细而长的是质子的径迹，另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。

　　新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。

　　德国有个青年科学家叫贝特。他想：为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢？难道就不可能放出电子（也就是β射线）和γ射线吗？那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线，并且常常伴有γ射线，但是不放出质子。

　　他研究了卢瑟福做的实验，注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道，α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光，但是，如果有β射线或γ射线射在硫化锌上，却不会发出闪光。因此，即使有放出β射线和γ射线的核反应发生，卢瑟福也观测不到。

　　卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼，他没有看到闪光，所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。

　　贝特想，α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去，为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢？可能打进去以后放出来的不是质子，而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子。如果真是这样，用什么方法才能观测到它们呢？

　　这时候，卢瑟福的学生盖革也在德国工作，他发明了计数器，利用电子学仪器，可以测量各种射线，并计算粒子的数目或射线的强度。用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。

　　贝特用计数器去进行研究。他用钋作为α粒子的放射源，因为钋只放射α粒子，不放射β射线和γ射线，这就使实验简单多了。

　　对着α粒子源安装了计数管，由于钋不发射β射线和γ射线，而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁，所以计数管没有计数。

　　但是，只要在α粒子源和计数管之间放上涂有锂、铍或硼的片，计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上，发生了核反应，并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。

　　这是什么射线呢？贝特作了测试实验。他加上电场和磁场试了试，发现射线在电场和磁场中不会偏转，说明射线不带电荷，不是β射线，也不是α粒子和质子。他又用2厘米厚的铅板试了试，射线还是穿透过去了，强度只减弱13％。他认为，这种射线是极强的γ射线。

　　贝特发现用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应，这是完全正确的。他认为反应结果是放出γ射线，这一点后来证明是错误的。

　　在法国，居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在做贝特做过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡，结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。

　　这个实验又转到英国，查德威克用铍发出来的射线射击氢，发现了高速的质子；射击氮原子，氮原子也被推动了，只是速度比质子小得多；射击氩，氩原子也被推动了，速度又小一些。这说明铍发出来的射线不应该是γ射线，而是具有一定质量的某种粒子。

　　经过反复的实验，查德威克认为α粒子打在铍核上产生的不是γ射线，而是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞，就把它们弹开了，正像他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。

　　那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢？查德威克根据实验结果算出来，它的质量与质子几乎一样大。

　　查德威克把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。

　　中子是人们过去还不知道的粒子，现在由铍原子核中打了出来，这说明原子核中有中子。

　　这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了，又多了一种——中子。

　　就在发现中子的1932年，人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子，它带着阳电荷，而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。

　　问题又复杂起来了。