3. 不带电的中子
中子是一个非常活跃的微观粒子， 它在整个原子世界中扮演着十分重要的角色。它的发现使原子核物理学进入了一个新阶段， 就是借助于它， 人类打开了核能利用的大门。
在中子被发现之前， 已有物理学家对它的存在作出了预言， 其中最著名的是卢瑟福于1920 年6 月在一篇报告中提出的关于存在中子的假设。
卢瑟福是怎么想到中子的呢？ 当卢瑟福刚发现质子以后， 就有人提出原子核是由带一个正电荷的质子组成的。但是， 这种看法很快就遇到了严重的困难。比如， 氦原子， 它的原子核带两个单位正电荷， 但它的质量却是氢原子核的4 倍。这就产生了一个矛盾， 如果从质量上看， 氦原子核是由4 个氢原子核， 也就是4 个质子组成的。可是， 氦原子核只带两个单位正电荷， 这就有另外两个质子所带的正电荷下落不明的问题。如果从电荷的角度看， 氦原子核只能有两个质子， 这就有多出相当于两个质子的质量的问题。再如碳原子， 它有6 个电子， 它的原子核带有6 个单位正电荷。如果说原子核是由原子组成的， 那么碳原子核就应由6 个质子所组成。但是， 矛盾十分明显， 因为碳原子核的质量大约是质子质量的12 倍， 这和氦原子核所遇到的问题是一样的。
解决这个矛盾的出路就在于修正关于原子核的组成。卢瑟福提出了一个崭新的想法， 可能有一种质量与质子的质量相近的中性粒子存在。这种中性粒子和质子共同组成了原子核。有了这种中性粒子， 上述矛盾就都解决了。比如碳原子核是由6 个质子和6 个中子组成的， 中子的质量又与质子差不多， 那么就正好使碳原子核的质量满足了是氢原子核质量12 倍这一条件。不过， 卢瑟福的猜测中存在错误。他认为这中性粒子不是别的， 就是质子和电子的结合体。虽然这一错误影响了对中性粒子作进一步的设想， 但是卢瑟福的预言， 对他的学生和合作者查德威克产生了很大的影响， 启发查德威克去对这个中性粒子作认真地探索。查德威克做了许多实验， 试图在氢气放电等实验中找到中性粒子的存在， 可惜一直没有成功。
1930 年， 也就是卢瑟福作出存在中性粒子预言后10 年， 情况发生了变化。德国物理学家波特和贝克在做用α粒子轰击较轻的元素的实验， 当他们用α粒子轰击元素铍时， 发现了一种穿透能力很强的射线， 它能穿过较厚的铅板。为了解这种射线的性质， 他们将射线置于电场和磁场下， 结果观察到， 这种射线在电场和磁场的作用下并没有产生弯曲的现象。这说明它是不带电的。这实际上已经找到了卢瑟福所预言的中性粒子， 但是波特和贝克却没有意识到， 他们认为这种射线是极强的α射线。
在巴黎， 居里实验室的约里奥―居里夫妇， 也在进行类似的实验， 他们也得到了波特和贝尔克所发现的那种射线。
为了更多地了解这种射线的性质， 他们把一块含有丰富氢原子的石腊， 放在铍和探测微观粒子的计数装置之间。实验中， 发现计数大增， 显然由石腊出来的射线具有更强的辐射。在磁场下， 这种射线产生了微小的弯曲， 经过比较， 证明这是速度很高的质子流。约里奥・居里夫妇和波特一样，也把铍的辐射看作是γ射线， 并且认为质子流的产生是由于γ粒子撞击石腊中的氢原子的结果。
就这样， 波特和贝克、约里奥―居里夫妇就都错过了发现中子的机会。特别是约里奥―居里夫妇， 如果他们读过并领会卢瑟福1920 年的报告， 肯定会对这个实验结果有新的理解和解释。另外， 约里奥―居里夫妇的失误还在于他们没有认真分析高速质子的动量和能量。波特和贝克曾用当时比较成熟的方法测量了他们认为的γ射线的能量， 测得的结果是这种γ射线的能量是5 兆电子伏。可是， 如果约里奥・居里实验中的质子流看作是γ射线撞击的结果， 可以算出这种γ射线的能量应当在50 兆电子伏左右。这样， 矛盾就出来了。矛盾意味着这种射线有着不同寻常的本质。
当查德威克见到约里奥―居里夫妇的研究报告之后， 便立即意识到α粒子撞击铍所产生的射线可能就是他寻找已久的中性粒子。查德威克用钋作α粒子源， 并安装了新的探测器， 开始了紧张的实验。他先是复核了波特和贝克、约里奥・居里夫妇的实验结果。后来又进一步用α粒子轰击铍所发射出来的射线去撞击氮原子等， 结果都产生了反冲核， 也就是说铍发射出的射线能把氮等原子的原子核撞击出来。1932 年2 月， 查德威克详细报告了他的实验结果及理论分析。他特别分析了实验中的能量问题。除了前面已经提到的能量问题以外， 查德威克还测出氮的反冲核能量为1. 2 兆电子伏。如果仍假定引起这种反冲的辐射线是γ射线的话， 可以推算出， 这种γ射线的能量将不是50 兆电子伏， 而是90 兆电子伏。这一结果有些离奇。当它撞击出氢原子核时， 它具有50 兆电子伏的能量； 当它撞击出氮原子核时， 它又具有90 兆电子伏的能量； 这种γ射线的能量竟随被撞击的原子核的质量增大而增大。查德威克意识到， 要么是坚持认为这种辐射是γ射线而放弃能量守恒守律； 要么是对这种辐射作出新的解释。查德威克寻找中性粒子已有近10 年的历史， 他果断地选取了后一种立场。他提出， 应放弃把这种射线看成是γ射线的看法， 而把它看成是一种质量与质子质量很接近的中性粒子。这样， 上述那些矛盾就都迎刃而解了。查德威克这样分析这种中性射线撞击出氮原子核等的实验结果： 中性粒子的质量与质子质量差不多， 这就好像把一个弹性小球射向另一个静止的、具有同样质量的弹性小球； 如果瞄得准的话， 两个弹性小球碰个正着， 原来入射的弹性球把动能交给静止的弹性球而自己静止下来； 被碰撞的弹性球则得到动能向前运动。查德威克的这一解释是合理的， 但倘若能够确认这种中性粒子的质量， 就更具有说服力了。
当时， 查德威克所在的英国剑桥大学卡文迪许实验里， 有阿斯顿发明的质谱仪， 这种仪器可用来确定带电的粒子的质量， 但对测定中性粒子的质量却还无能为力。查德威克就测定了反冲原子核的动能、动量以及行飞速度， 然后根据能量守恒定律， 推算出中性粒子的质量。计算结果表明， 如果取质子的质量为1， 那么中性粒子的质量为1. 15 。中性粒子的质量与质子相近， 只是稍稍重一点。
这样， 查德威克通过实验和分析， 宣告了中性粒子的发现。他把这种不带电荷的粒子叫做中子。中子作为一个新发现的粒子， 是通过α粒子把它从铍原子核中打出来的， 这说明原子核中有中子。
中子的发现经历了一段曲折的历史。一项重大的发现从约里奥・居里夫妇的手中溜走了， 而查德威克则取得了成功。这里一个很重要的原因是， 查德威克有充分的精神上的准备。所以， 中子从他手中发现， 是具有一定必然性的。据传， 卢瑟福坚持把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克， 说他完全应该得到它。有人对卢瑟福提出， 约里奥・居里对中子的发现做出了必不可少的贡献。卢瑟福回答道， 发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克， 至于约里奥・居里夫妇， 他们是那样聪明， 不久会因别的项目而获奖的。
中子的发现， 又引起了连锁反应。一方面， 它的发现为核模型理论提供了重要的依据， 形成了原子核是由质了和中子组成的正确认识。另一方面， 中子的问世又激发了一系列新的研究课题。特别是它引起了人工核反应研究的迅速发展， 从而打开了核能实际应用的大门。
就在1932 年， 查德威克发现中子不久， 一位德国物理学家就提到， 这种粒子可能成为释放沉睡在物质中的强大力量的最好工具。但是， 他的话没有引起人们的密切注意。这其中， 一些权威的意见起了很大的作用。对于核能的利用在最初是遭到了一些著名的物理学家们的怀疑与否定。卢瑟福就是其中的一位， 他认为释放核能的效率是极低的， 把核能看作一种能源只是纸上谈兵而已。卢瑟福作为一位杰出的物理学家， 他曾经培养、启发、指导了许多年轻物理学家作出有价值的研究工作。但是， 在核能的问题上， 他却表现出缺乏科学的预见。这件事告诉我们， 在科学上既要尊重权威， 但又不要迷信权威。
在中子被发现之前， 已有物理学家对它的存在作出了预言， 其中最著名的是卢瑟福于1920 年6 月在一篇报告中提出的关于存在中子的假设。
卢瑟福是怎么想到中子的呢？ 当卢瑟福刚发现质子以后， 就有人提出原子核是由带一个正电荷的质子组成的。但是， 这种看法很快就遇到了严重的困难。比如， 氦原子， 它的原子核带两个单位正电荷， 但它的质量却是氢原子核的4 倍。这就产生了一个矛盾， 如果从质量上看， 氦原子核是由4 个氢原子核， 也就是4 个质子组成的。可是， 氦原子核只带两个单位正电荷， 这就有另外两个质子所带的正电荷下落不明的问题。如果从电荷的角度看， 氦原子核只能有两个质子， 这就有多出相当于两个质子的质量的问题。再如碳原子， 它有6 个电子， 它的原子核带有6 个单位正电荷。如果说原子核是由原子组成的， 那么碳原子核就应由6 个质子所组成。但是， 矛盾十分明显， 因为碳原子核的质量大约是质子质量的12 倍， 这和氦原子核所遇到的问题是一样的。
解决这个矛盾的出路就在于修正关于原子核的组成。卢瑟福提出了一个崭新的想法， 可能有一种质量与质子的质量相近的中性粒子存在。这种中性粒子和质子共同组成了原子核。有了这种中性粒子， 上述矛盾就都解决了。比如碳原子核是由6 个质子和6 个中子组成的， 中子的质量又与质子差不多， 那么就正好使碳原子核的质量满足了是氢原子核质量12 倍这一条件。不过， 卢瑟福的猜测中存在错误。他认为这中性粒子不是别的， 就是质子和电子的结合体。虽然这一错误影响了对中性粒子作进一步的设想， 但是卢瑟福的预言， 对他的学生和合作者查德威克产生了很大的影响， 启发查德威克去对这个中性粒子作认真地探索。查德威克做了许多实验， 试图在氢气放电等实验中找到中性粒子的存在， 可惜一直没有成功。
1930 年， 也就是卢瑟福作出存在中性粒子预言后10 年， 情况发生了变化。德国物理学家波特和贝克在做用α粒子轰击较轻的元素的实验， 当他们用α粒子轰击元素铍时， 发现了一种穿透能力很强的射线， 它能穿过较厚的铅板。为了解这种射线的性质， 他们将射线置于电场和磁场下， 结果观察到， 这种射线在电场和磁场的作用下并没有产生弯曲的现象。这说明它是不带电的。这实际上已经找到了卢瑟福所预言的中性粒子， 但是波特和贝克却没有意识到， 他们认为这种射线是极强的α射线。
在巴黎， 居里实验室的约里奥―居里夫妇， 也在进行类似的实验， 他们也得到了波特和贝尔克所发现的那种射线。
为了更多地了解这种射线的性质， 他们把一块含有丰富氢原子的石腊， 放在铍和探测微观粒子的计数装置之间。实验中， 发现计数大增， 显然由石腊出来的射线具有更强的辐射。在磁场下， 这种射线产生了微小的弯曲， 经过比较， 证明这是速度很高的质子流。约里奥・居里夫妇和波特一样，也把铍的辐射看作是γ射线， 并且认为质子流的产生是由于γ粒子撞击石腊中的氢原子的结果。
就这样， 波特和贝克、约里奥―居里夫妇就都错过了发现中子的机会。特别是约里奥―居里夫妇， 如果他们读过并领会卢瑟福1920 年的报告， 肯定会对这个实验结果有新的理解和解释。另外， 约里奥―居里夫妇的失误还在于他们没有认真分析高速质子的动量和能量。波特和贝克曾用当时比较成熟的方法测量了他们认为的γ射线的能量， 测得的结果是这种γ射线的能量是5 兆电子伏。可是， 如果约里奥・居里实验中的质子流看作是γ射线撞击的结果， 可以算出这种γ射线的能量应当在50 兆电子伏左右。这样， 矛盾就出来了。矛盾意味着这种射线有着不同寻常的本质。
当查德威克见到约里奥―居里夫妇的研究报告之后， 便立即意识到α粒子撞击铍所产生的射线可能就是他寻找已久的中性粒子。查德威克用钋作α粒子源， 并安装了新的探测器， 开始了紧张的实验。他先是复核了波特和贝克、约里奥・居里夫妇的实验结果。后来又进一步用α粒子轰击铍所发射出来的射线去撞击氮原子等， 结果都产生了反冲核， 也就是说铍发射出的射线能把氮等原子的原子核撞击出来。1932 年2 月， 查德威克详细报告了他的实验结果及理论分析。他特别分析了实验中的能量问题。除了前面已经提到的能量问题以外， 查德威克还测出氮的反冲核能量为1. 2 兆电子伏。如果仍假定引起这种反冲的辐射线是γ射线的话， 可以推算出， 这种γ射线的能量将不是50 兆电子伏， 而是90 兆电子伏。这一结果有些离奇。当它撞击出氢原子核时， 它具有50 兆电子伏的能量； 当它撞击出氮原子核时， 它又具有90 兆电子伏的能量； 这种γ射线的能量竟随被撞击的原子核的质量增大而增大。查德威克意识到， 要么是坚持认为这种辐射是γ射线而放弃能量守恒守律； 要么是对这种辐射作出新的解释。查德威克寻找中性粒子已有近10 年的历史， 他果断地选取了后一种立场。他提出， 应放弃把这种射线看成是γ射线的看法， 而把它看成是一种质量与质子质量很接近的中性粒子。这样， 上述那些矛盾就都迎刃而解了。查德威克这样分析这种中性射线撞击出氮原子核等的实验结果： 中性粒子的质量与质子质量差不多， 这就好像把一个弹性小球射向另一个静止的、具有同样质量的弹性小球； 如果瞄得准的话， 两个弹性小球碰个正着， 原来入射的弹性球把动能交给静止的弹性球而自己静止下来； 被碰撞的弹性球则得到动能向前运动。查德威克的这一解释是合理的， 但倘若能够确认这种中性粒子的质量， 就更具有说服力了。
当时， 查德威克所在的英国剑桥大学卡文迪许实验里， 有阿斯顿发明的质谱仪， 这种仪器可用来确定带电的粒子的质量， 但对测定中性粒子的质量却还无能为力。查德威克就测定了反冲原子核的动能、动量以及行飞速度， 然后根据能量守恒定律， 推算出中性粒子的质量。计算结果表明， 如果取质子的质量为1， 那么中性粒子的质量为1. 15 。中性粒子的质量与质子相近， 只是稍稍重一点。
这样， 查德威克通过实验和分析， 宣告了中性粒子的发现。他把这种不带电荷的粒子叫做中子。中子作为一个新发现的粒子， 是通过α粒子把它从铍原子核中打出来的， 这说明原子核中有中子。
中子的发现经历了一段曲折的历史。一项重大的发现从约里奥・居里夫妇的手中溜走了， 而查德威克则取得了成功。这里一个很重要的原因是， 查德威克有充分的精神上的准备。所以， 中子从他手中发现， 是具有一定必然性的。据传， 卢瑟福坚持把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克， 说他完全应该得到它。有人对卢瑟福提出， 约里奥・居里对中子的发现做出了必不可少的贡献。卢瑟福回答道， 发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克， 至于约里奥・居里夫妇， 他们是那样聪明， 不久会因别的项目而获奖的。
中子的发现， 又引起了连锁反应。一方面， 它的发现为核模型理论提供了重要的依据， 形成了原子核是由质了和中子组成的正确认识。另一方面， 中子的问世又激发了一系列新的研究课题。特别是它引起了人工核反应研究的迅速发展， 从而打开了核能实际应用的大门。
就在1932 年， 查德威克发现中子不久， 一位德国物理学家就提到， 这种粒子可能成为释放沉睡在物质中的强大力量的最好工具。但是， 他的话没有引起人们的密切注意。这其中， 一些权威的意见起了很大的作用。对于核能的利用在最初是遭到了一些著名的物理学家们的怀疑与否定。卢瑟福就是其中的一位， 他认为释放核能的效率是极低的， 把核能看作一种能源只是纸上谈兵而已。卢瑟福作为一位杰出的物理学家， 他曾经培养、启发、指导了许多年轻物理学家作出有价值的研究工作。但是， 在核能的问题上， 他却表现出缺乏科学的预见。这件事告诉我们， 在科学上既要尊重权威， 但又不要迷信权威。
