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前文说到约里奥夫妇做实验，就发现了一股中性射线，打进石蜡以后不但没有被石蜡吸收反而还加强了，他们当时就不知道怎么回事，想来想去觉得可能是康普顿效应，所谓康普顿效应就是，比如说X射线被金属散射发生的现象，按说散射的X射线应该跟入射的X射线频率是相同的，反正就是光散射问题，但是康普顿发现会有波长更大的射线跑出来，这种现象必须要用量子力学才能解释。约里奥夫妇就把他们当时看到的现象当成康普顿效应，他俩也就没在意。他俩不在乎有人留心了，他就是卢瑟福的助手叫查德威克。查德威克是英国柴郡人，原来是卢瑟福的学生，一战的时候还被抓到平民战俘营里去关了一段时间，出来以后继续跟着卢瑟福工作。他工作很出色，后来就成了卢瑟福的副手。 查德威克 约里奥夫妇做实验的消息就传到了剑桥大学的卡文迪许实验室，查德威克就听说这件事了，他就来找卢瑟福讨论这件事。卢瑟福在原子核方面造诣颇深，10多年前卢瑟福就做过一个实验，就是用α粒子去轰击氮气，结果发现居然有氢原子核跑出来，卢瑟福就断定氢的原子核应该是原子的最小一个组成单位，其他比它重的原子核都应该是氢原子核组成的，于是他就把氢原子核命名为质子，这个来源是第一的意思。但是卢瑟福这个发现就惹出一个麻烦，按照卢瑟福的想法，原子大部分质量都在原子核上面，氢原子核就一个质子，比电子质量大了1700多倍，那么核外的电子数应该跟核内质子数是一样的，一个质子带正电一个电子带负电，正负电荷抵消，这样整个原子就不带电。原子核质量应该可以通过电子数算出来，但是跟真正原子核的质量却比总是少一半。查德威克是卢瑟福的助手，对这件事就很清楚，这师徒俩就百思不得其解，觉得还有另一半质量跑哪去了怎么老少呢。查德威克听说了约里奥夫妇实验的结果，发现有戏，所以就来找他老师卢瑟福了，跟卢瑟福一聊这俩人都有一种预感，那就是原子核里面除了带正电的质子以外，应该还有一种中性不带电的粒子，这种东西质量跟质子差不多，但是它不带电，过去测量原子核质量的时候就是它参合在里面所以原子核变重了。 对这二位来讲，用后脑勺都能想出来应该还有一种中性粒子，卢瑟福就鼓励查德威克做实验把这个粒子抓出来。查德威克得到鼓励了，就按照约里奥夫妇的办法就用α粒子来轰击金属铍，轰击出来之后再产生一种射线，用铍产生的这种射线去轰击氢、轰击氮，结果就打出了氢核和氮核。由此他断定这种射线就不可能是γ射线，因为约里奥夫妇认为这是γ射线，γ射线能量比较高嘛，γ射线能量再高也没这个本事把原子里的质子给打动。他认为，假定从铍里面放出来的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，这才能解释。假设所谓的铍射线就是中性粒子，那打到原子核上，比如说打到氢核上打到氮核上，那么算一算，射线把氢原子核撞歪了，那氢核就朝一个方向飞出去了，速度是多少，这一算就可以计算出不带电的中性粒子到底有多大。结果算出来不带电的中性粒子比质子稍稍重了一点，当然了他只做这一个实验还不行，他还做别的实验来验证这个结果。如果从不同的途径我们都能得到差不多的结果那么这事也算板上钉钉的事了。结果他倒是干净利落，距离约里奥夫妇实验成果发表大约一个月，查德威克就发表了自己的成果。他做的实验其实跟约里奥夫妇做的都差不多，但是约里奥夫妇是有眼不识金镶玉，大好机会摆在眼前居然视而不见给放过去了，到手的炸药奖就飞了，他们居然都没有意识到那股中性的不带电的射线根本就不可能是γ射线，γ射线哪有那么大的力气把质子打出来，γ射线说白了就是光子嘛，能量再高也打不动。总之别人查德威克是个有准备的头脑，思路清晰手脚麻利，一个月解决问题。约里奥夫妇心里凉凉的，心想怎么一时糊涂就把中子给放过去了。不过对于他俩来说这是日常了，放过去的机会不是一次两次了，前后一共3次，这一次中子的发现就从他们指头缝里溜走了，他们看都看到了没认出来。第二次正电子的发现也被他们给瞪眼放过去了，正电子其实就在他们实验结果里面，如果他们仔细找能把它找出来。第三次是核裂变他们也没当回事。虽然他们放过去三次大好机会，但是他们夫妇真能干，漏过去这么多次还是给他们逮到一回，因为人工放射性的研究获得了1935年的诺贝尔化学奖。1935年的诺贝尔物理学奖就颁发给了查德威克，表彰他在中子发现方面的贡献。 从卢瑟福、老居里夫妇他们对放射性的早期研究，大家已经发现了原子是有这么个核，这个东西很小，但是别看它很小，原子核集中了大部分原子质量，电子轻的不值一提。后来长冈半太郎、卢瑟福提出原子模型来描述原子内部结构，尤其是波尔的原子模型那最出名。正是因为原子结构以及原子光谱的研究就推动了整个量子力学的发展，量子力学前半期基本都是讨论电子跳来跳去啊怎么发出光谱啊光谱为什么不连续之类的，要不就是跟双缝干涉干上了。大家现在才发现原来原子核内部跟我们宏观世界的规律大相径庭，原子核里的微观粒子居然遵循的是不连续的规则，就是所谓量子化。前文整个讲的都是要么量子化的问题要么是不确定性的问题，这是两个坎。各种各样的元素留下的光谱线原来跟电子的跃迁有关系，那么外层的电子遵循的都是量子法则，那么原子核内部是这样么？原子核内部应该也差不多吧，应该也遵循这种量子法则。我们知道α、β、γ衰变会导致原子核放出α、β、γ射线，α射线就是氦的原子核，β射线就是电子，γ射线就是高能光子，大家一测量发现这三个辐射，比如说α射线、γ射线果然跟光谱一样是不连续的，有某种离散型，比如说某种频率它出现其他频率不出现。偏偏有个异类，β辐射居然是连续谱，它不是离散的，这就麻烦了，按理说原子核内部搞点什么事出来都是离散的，而且不仅如此，β衰变过程中还有一个麻烦，就是辐射出来的电子带走的能量居然是不守恒的，有一部分能量是不翼而飞，所以波尔觉得难道能量守恒在量子状态下是不对的，那不要能量守恒行不行。他就写了封信给泡利讲了自己的想法，泡利一看到信头都大了，后来泡利就写信给波尔劝他饶了能量守恒定律。不光是泡利，卢瑟福也写信给波尔劝他别老惦记废掉能量守恒。劝也不能光劝，得说理由，泡利列了两条反对的理由，首先，如果电荷是守恒的那为什么能量动量就不守恒，要不守恒大家一起不守恒。其次，假如能量是不守恒的，那应该能看到能量有时候会多出来有时候会少掉，不可能每次见能量不守恒只有少的没有多的。所以泡利对这种事就百思不得其解，感觉每次都欠点什么，可事实就摆在面前，β衰变的确能量、动量、角动量凑来凑去就凑不齐三个都对，要是把能量凑对了另外俩就不对了，要那俩对了能量就不对了。波尔就觉得咱就再闹一次物理学革命，觉得能量守恒靠不住的话就需要一个新的物理学。当然也难怪波尔这么想，因为β衰变过程中有三个东西他不知道，所以他才会怎么都想不通。这三个不知道的东西共同造成了这种局面，第一个是中子，查德威克刚刚发现，第二个是正电子，狄拉克已经提出假说了，但是还没有在实验中发现正电子，第三个东西就要靠泡利出手了。泡利后来在给放射协会的一封信里就提到了他的设想，他认为原子核里面有一种中性不带电的粒子，正是这种东西把能量带走了，做实验的时候没能把它抓住，让它给溜了，所以才计算出来少了这么个东西造成能量不守恒。而且泡利还预言这种粒子拥有二分之一的自旋，符合泡利不相容原理，预计跟电子差不多大但不带电，有了这东西β衰变产生连续谱就好理解了，能量守恒也不会破坏。但是泡利在信里也写了他不确定这东西是否存在，因为这东西太不好找了，要是好找的话应该早就被发现了，然后他又写最近苏黎世有场舞会很重要，他自己不得不出席，这事必须亲自出席，所以放射协会开会他就不去了。泡利把舞会看的比开会重要，也难怪，因为他1930年刚离婚，没办法。 泡利就给他预言的粒子起名叫中子，因为它不带电，是中性的。1931年6月泡利在美国的一次会议上正式提出这个概念，当时他不知道查德威克的发现，查德威克当时还没把真正的中子发现出来，查德威克发现中子是1932年1月的事。偏巧这俩人起名字起撞车了，都管它叫中子，其实他俩说的完全不是一回事。当时泡利修改了他的说法，他认为这个东西不是实现存在在原子核里的，他开始原子核里有这个东西没逮到，后来他修改了认为这只是在β衰变过程中凭空诞生出来的，当然了泡利到了美国还造成了不小的轰动，还上了纽约时报。 1931年10月泡利去了趟罗马，跑罗马开会，他跟费米在会上碰到了，俩人约好好好聊聊，就把想法告诉费米了。当时是私下聊的，没有在公众公开讲这件事，他把这事告诉费米了，因为费米在这事上有很大贡献。他在罗马还碰到一个事特别不爽，就是他跟墨索里尼握手了，他难受坏了，泡利跟墨索里尼握手浑身上下不自在。费米就给泡利预言的粒子起名叫中微子，因为要跟中子分开叫，不能叫混了。真正观察到中微子要过20多年之后了，这20多年都没法观测到中微子，其实后来人们研究中微子跟当时泡利的预言是有出入的，比如说中微子的质量泡利觉得跟电子差不多吧，有可能是质子的1%，他当时估一下也估不准，但实际上中微子质量极其微小，比电子还要小上一百万倍，以至于很长时间内大家以为它的质量是0，后来才发现质量虽然非常非常小，但不是0。一种情况是一个中子衰变成一个电子一个质子然后再加一个电子中微子这三个家伙，有了这三个家伙能量动量角动量就全都守恒了，这就是当年波尔遇到的麻烦。另外一种情况是反过来，质子变成一个中子，同时放出一个正电子和一个反电子中微子，这三个东西波尔那时候一个都不知道，所以他不犯那个错才怪，因为不知道的东西太多了。 到1933年费米就对这个事做了深入研究，他就提出了一个理论，那就是在原子核内部其实也有能级，就像电子有能级一样。开始讲光谱的时候全都在讲电子这级跳到那级，那级跳到这级，在各种能级之间跳来跳去，研究光谱就是研究这个。那原子核内部呢，费米认为道理是一样的，它也有能级，质子和中子相互变来变去其实就是从一个能级跃迁到另一个能级，中子和质子其实可以看做是同一种粒子，是同一种粒子的两个不同量子状态。我们知道β粒子其实就是电子，也就是在跳来跳去的过程中被造出来的，它并不是核外的那些电子。他的理论就定量的描述了β射线的能谱，能谱就可以根据他的理论计算，一计算就发现是连续的，而且β衰变的半衰期规律也找到了，β能谱的衰减之谜被解开了。费米认为这背后是第三种力在捣鬼，要知道在30年代初人们只知道两种力，一种是电磁力，一种是引力。比如说苹果掉下来以及宇宙星辰绕着转背后是同一种力在起作用，这就是牛顿的万有引力，到了爱因斯坦这就不叫万有引力了，变成了时空弯曲，实际上是一回事。原子分子构成物质，摸上去东西硬的软的，都是电磁力在支撑着物体的结构，但是在微小的原子核里，存在着第三种力，这种力就导致了放射性的产生，这种力就叫弱相互作用。其实原子核里还有一种叫强相互作用的力，但是当时他们都不知道，这个发现要到几十年之后了。就在30年代初，原子核内部终于揭开了一个角能让人偷窥一眼，但还有其他一大堆问题困扰着大家，比如说质子都是带正电的，那为啥原子核里一大坨质子互相排斥但都没有散架，到底是什么力量把它们凝在一起，这个奥秘好久之后才会被解开。 1933年也是很重要的一年，第七次索尔维会议就要在秋天召开，原子内部的情况也有了眉目了，我们猜到原子核内部不仅仅有原来知道的带电的质子，还有不带电的东西存在。波尔也很兴奋，要跟爱因斯坦当面再聊聊，可惜让波尔很失望，这次索尔维会议爱因斯坦并没有出现。这都是不寻常的，我们也说了科学家不是生活在真空里，波尔作为一个大科学家他当然也感觉的到整个欧洲情况不对头。美国那边1929年出现了金融市场大崩盘，整个经济系统哀鸿遍野，几千位前任大亨已经变成穷光蛋了，就从高楼上一跃而下，好几千人都是跳楼自杀的。欧洲这边也苦，尤其到了1933年，是大萧条期间最严重的时期了，德国自打一战结束以来一直走的就不顺，一战结束后就叫魏玛共和国，魏玛共和国走的磕磕碰碰的，再碰上世界范围的大萧条之后打击非常严重，欧洲已经是一片愁云惨雾了。德国尤其不乐观，街上都不太平，竞选集会一个比一个厉害，互相之间都打群架，纳粹冲锋队跟别的党派武装团伙都是打群架的，简直就是黑帮火拼。爱因斯坦比较敏感，一看苗头不对就先到国外去讲学访问，反正没必要的话就先不回去了。 就在1933年这一年，美国罗斯福总统上台了，代替了倒霉的胡佛总统。在德国这边兴登堡总统钦点希特勒上台组阁，担任德国总理，希特勒在当时并不是多数党，也不是多数派。一战时期老元帅兴登堡就亲手把权力交到了一战时期一个下士的手里，不久以后恐怕欧洲之大就已经摆放不下一张平静的书桌了，而且刚刚萌芽的核物理就会极大的改变世界的格局，这恐怕是物理学家做梦都想不到的事。欲知后事如何，请看下回分解。 |
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