终于发现中子

早在 1896 年，法国科学家柏克勒尔发现了放射性现象，当时，物理学家们把它解释为原子核的自发衰变，这说明原子核是由许多更小的微观粒子构成的。

本世纪 20 年代，人们已经知道了两种亚原子粒子：汤姆生发现的电子和卢瑟福预言的质子。

1903 年的时候，汤姆生提出了原子的“西瓜模型”。按照这个模型，原子是由正电荷物质（带正电流体）均匀分布在原子的整个体内，负电子则嵌入连续正电荷中，像瓜子在西瓜中一样。

因为电子互相排斥，另一方面则向中心的正电荷处吸引，并且假定它们会在原子内部达到一定的稳定位置。

假如这种分布是由于一些外在力量，例如两个原子在高温气体中激烈地碰撞，电子被假设为开始环绕它们的平衡位置振动，发射出相应频率的光波。

但这个模型不能解释不同元素为什么会发出不同的光谱。卢瑟福则通过大量的实验，开始预言质子的存在。

1919 年，卢瑟福决定开始轰击原子。他想知道，能否用人工促成的方法使一种元素转变为另一种元素。

他认为要改变元素首先要改变核上的电荷，唯一的途径是使别的原子核同它发生非常强烈的冲撞，这就要求另一原子核具有非常高的速度。

卢瑟福选中了镭所放射的α粒子，它具有每秒几千英里的速度，这个速度所产生的力使它成为最理想的“子弹”。

卢瑟福精心设置了实验装置，从而更好地捕捉从原子核中打出的碎块。他在一个能充气的金属桶的中间放置一小块镭盐，镭盐不断发射α粒

子。尽管α粒子的速度很高，但在正常压力的气体中，它不断与周围气体分子发生作用，它们约在 1 厘米之内静止下来，并吸引电子，从而变成普通的氦原子。

卢瑟福在大于α粒子射程的距离外，安放一块硫化锌屏，这样他在显微镜下看不到一点“闪光”。

他首先把桶里充满氧气，等了好长时间，没有看到闪光。

他又换用氮气充入桶内，心情异常紧张地通过显微镜观察，突然间，他高兴得大叫一声：“闪光！”在屏幕上看到一点微弱的闪光，间隔片刻，又见到一闪⋯”

卢瑟福高兴得跳了起来，因为他断定这是α粒子打击氮气后产生碎片的闪光。

为了确定这碎片，他又借助于磁场测定碎片的质量和电荷，结果确定碎片是氢核，后来人们称氢核为质子。

卢瑟福借此断言，质子都在原子核内，但假使原子核的质量都是由质子构成的，那么就会有太多的正电荷。

因此，人们普遍认为，原子核中必定含有一些电子，这便中和一些质子的电荷。因电子是极轻的粒子，所以不大会改变质量。

甚至还有人认为，电子在核内起到了类似于水泥的某种作用，它把质子聚拢在一起，因为如果没有电子，带有同性电荷的质子就会互相排斥而飞离。

但是，从理论上看，上面的这种观点有站不住脚的地方。

倒是另外一种观点比较有理论根据，即认为原子核内可能存在一种不带电的粒子。

卢瑟福和查德威克不知探索了多少次，他们极力想找出这种粒子，但是都失败了。

1930 年，德国物理学家玻西在一次国际会议上报告说，他在用α粒子轰击铍钯时观察到一种前所未见的很强的辐射，它能穿透几厘米厚的铅板。

据当时所知，被轰击物质产生的所有射线中，只有γ射线能够穿透厚铅板，于是，他没有再做深入研究，就把它当作γ射线做了报道。

1931 年，法国的居里夫妇在研究铍辐射时，让辐射从一个很薄的窗口射入装有空气的电离容器，当窗口放有石蜡或其他含氢物质时，容器中的电离就增强。他们认为电离增强是由于石蜡发射出了高速质子。

1927 年的诺贝尔物理学奖金获得者威尔逊先生制造了云室，在云室中可以观察带电粒子（质子或电子）的径迹。

借助于云室就能计算出石蜡释放出的质子的能量，从而计算出产生质子束的铍辐射的能量。

问题很清楚，如果假定铍辐射是γ辐射，那么得出的能量值就会大得出奇，决不可能使能量值与引起铍辐射的能量一致起来。

查德威克对铍辐射作了研究，他发现很多别的元素，例如氦、锂、碳等， 也有类似的辐射。

通过对碰撞的能量条件所作的广泛研究和计算，他很快就确定铍辐射不可能是γ辐射，而是由比电子大得多甚至与质子一样大的粒子组成的。

1932 年，查德威克在一张α粒子轨迹的云室照片上看到一条非常细的线条，正好在照片的中间，却不出现明显的来路。

经过认真地分析，这细线条只能是氢核的踪迹，一个由于某种碰撞或别的原因释放出来的氢核，而造成碰撞的粒子却没有影踪。

但是，查德威克深信，应当有这样一个粒子，否则就不可能出现以极大速度射出的氢核。

然而，这个粒于在云室中却没有留下任何痕迹，所以，对它的描述应该是这样的：无影无踪，不可捉摸，却能给受轰击的原子核狠狠一击，使氢核从中释放出来。

查德威克首先确定这种新射线不会被磁场偏转，因此它是不带电的中性粒于。然后确定这种粒子的速度不到光速的 1/10，从而也就排除了它是某种γ射线的可能性。

接着，查德威克又通过巧妙的碰撞实验，确定这种新粒子的质量差不多。这样一来，查德威克圆满地解释了过去所引起的一系列不解之谜。他认

为：由于这种新粒子质量较大，所以很容易将石蜡中的氢原子核——质子打出来。

又因为这种粒子不带电，是中性的，在威尔逊云室中，这种中性粒子经过的路径中不产生大量电子和正离子，不能引起水蒸汽的凝结，因此照片中不能摄得这种粒子经过的径迹，它在整个过程中始终扮演着不露面的“隐身人”的角色，只有当打出质子后，才暴露出它曾经出现过。这样也就回答了居里夫妇所疑惑不解的问题。

20 年代，卢瑟福所预言的“中子”，终于被查德威克找到了。后来，查德威克用γ射线照射氚核引起裂变，又用人工方法也获得了中子。

查德威克在写给英国《自然》杂志编辑部的一封信中指出：“如果我们假设这种放射性物质是由质量为 1、电荷为 0 的粒子，即中子构成的，那么，

一切难题就可以迎刃而解了。”

查德威克的中子的发现，对原子核科学领域作出了重大贡献。

中子是不带任何电荷的，它与氦核（α核线）不同，后者是带电的，因此在重原子核中受到很大的电排斥力。

中子作为使原子嬗变的新工具，它不需要克服任何电的势垒，甚至能够穿过和分裂重元素的原子核。

这样，查德威克为铀 235 的分裂和制造原子弹开辟了一条途径。因此，人们普遍认为，中子打开了人类进入原子能时代的大门。

同时，中子的发现，还在理论上带来了一系列深刻的变革。中子发现后不久，德国物理学家海森堡提出了原子核是由质子和中子组成的模型。