二、中子的发现

原子核中存在中性粒子假说的提出

在卢瑟福发现质子后，物理学界认为，原子核是由带负电的电子和带正电的质子所组成．1920 年卢瑟福认为，存在一种电中性粒子，这种粒子不能被束缚在任何容器之中.他想象这种粒子大概是由当时已知的质子和电子结合而成的，因为质子带正电，电子带负电，二者结合就变成中性．当时，在卢瑟福领导下的实验室和其他实验室都在寻找这种中性粒子，但都未找到．

在卢瑟福预言原子核中存在中性粒子的同时，许多实验现象都与原子核的质子——电子假说相矛盾．如 1925 年，乌伦贝克和古兹米特据光谱实验测知，电子具有自旋，它的量子数等于 1/2，质子的自旋也是 1/2．这样，对氮核来说根据原子核的质子——电子假说，它应由 14 个质子和 7 个电子组成，因而这些粒子的总自旋数应取分数值．然而实验表明，氮原子核的自旋等于 1．原子核的“质子——电子”假说遇到的另一个困难是，依据测不准关系，把电子束缚在很小的核内，它的动量将有很大的不确定性，因而，它在核内停留的时间不可能超过几分之一秒，这与原子的稳定性是相矛盾的．这些迹象表明原子核中可能还存在着其它一些粒子．

原子核内存在中性粒子的探索性实验

1930 年，德国物理学家玻特和贝克尔，用天然放射性元素钋放出的

α射线去轰击铍时，发现从铍中放射出一种穿透力极强的射线，在穿透 2 厘米厚的铅板后强度只减少 13%，而且这种射线无论在电场中还是在磁场中都不发生偏转．这种中性辐射在当时已知的由被轰击物质产生的各种形

式的辐射中，唯一能穿透厚铅板的中性射线是γ射线，所以这两位物理学家认为，他们发现的只是高能γ射线．但这些所谓的γ辐射的能量几乎是入射的α射线能量的十倍，这种不合理的关系未使他们看出问题，所以没有能再向前迈出关键的一步．

法国物理学家居里夫妇的女儿女婿约里奥·居里夫妇，重复了玻特的实验．1931 年他们进一步用来自铍的新射线去轰击石蜡时发现，这种从铍放射出的新射线能从石蜡中打出强质子束来．这表明石蜡在这种“铍射线”照射下会发射出大量的质子．这种实验现象是用当时已知的γ射线效应无法解释的．但是，小居里夫妇却比较固守前人的研究成果，因为他们发现α粒子轰击铍后产生的辐射是中性的，就自然假定是中性的γ射线，并用在那个时代在解释光量子学说获得极大成功的康普顿效应作为解释他们实验的理论依据．于 1932 年 1 月 11 日，向巴黎科学院报告了这一结果．小居里夫妇把这一现象解释为γ光子同质子的康普顿效应．实际上，小居里夫妇实验中的散射要比当时已知的的任何类似的散射时产生的作用要强一百万倍，这样按他们的解释，这一实验现象要违反能量守恒和动量守恒的，而实际情况是应该满足能量守恒和动量守恒的，而他们并没有顾及这一矛盾而放弃他们的解释，也未能再进一步深入地去探索，因而白白错过了发现中子的机会．

中子的发现 1932 年 1

月底，约里奥·居里夫妇的论文传到了卡文迪许实验室．英国物理学家查德威克（1891—1974）把论文的内容告诉了卢瑟福．卢瑟福听后感到非常惊讶，同时他指出，应该相信约里奥·居里夫妇的观察结果，但至于如何解释那又是一回事．查德威克也不相信约里奥·居里夫妇的解释．他经过深入地思考意识到，反冲质子有这样大的能量绝不可能是光子碰撞的结果，而很可能就是十年前卢瑟福所预言的中性粒子的碰撞所致．于是他立即进行实验，用钋源放射出的α粒子去轰击铍，终于发现了中子．他写道：“我开始时没有固定的看法，虽然我很自然想到中子的问题．我相当肯定不能把约里奥·居里夫妇观察到的现象看作是一种由康普顿效应所引起的，因为我不止一次探索过它．我深信是一种新奇的东西．经过几天的紧张工作，我证明了这种奇怪的效应是由一个中性粒子引起的，并且我还能够测量它的质量，卢瑟福在 1920 年所假设的中子终于出现了．”
中子的性质和质量的测定

查德威克发现中子后，又进一步对它进行非常细致的研究．首先是探索中子的性质，他在实验中用中子流去照射各种轻、重不同的物质，结果发现中子流与γ射线的性质有很大差别因通常的γ射线照射到物质上时，物质密度越大，对γ射线吸收越强，而中子流的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它.其次查德威克测定中子的质量．在实验中查德威克发现，当用中子流去轰击氢原子时，氢核会被打出去，这说明中子具有一定的质量．但由于中子不带电，因而无法使它在磁场和电场中的偏转来计算它的质量．查德威克想，当中子穿过物质时，它将与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而把能量传递给原子核，使被碰撞的原子核运动，只要测出被碰原子核的速度，就可根据能量守恒定律和动量守恒定律把中子的质量推算出来．查德威克用中子分别轰击氢原子和氮原子，结果打出了一些氢核和氮核，他测得氢核和氮核的最大速度分别为 3.3×109 厘米/秒

和 4.7×108 厘米/秒．从而计算出中子的质量是质子质量的 1.15 倍．（现代的精确值，质子的质量为 1.007825，中子的质量为 1.008665）查德威克所发现的中子，并不象当年卢瑟福预言的是质子和电子的复合体．而是与卢瑟福预言性质一样的全新粒子．

中子的发现再次表明，机遇只偏爱有准备头脑的人．查德威克的成功原因之一是对中子概念早有思想准备，并在此之前进行了一些实验试图发现中子但未成功．所以当中子出现时，查德威克能令人信服的发现它．而约里奥·居里夫妇却没有这个思想准备，他们不重视学术交流，1920 年卢瑟福在巴黎讲学时预言了中子的存在，但约里奥·居里夫妇认为与其听一次学术报告，还不如自己在实验室里做实验，所以就没有去听讲．以至中子在他们实验中出现了，而他们却不认识它．事后约里奥·居里说：“大多数物理学家包括我们自己在内，没有注意到这个假设．但是它一直存在于查德威克工作所在的卡文迪许实验室的空气里．因此最后在那儿发现了中子，这是合情合理的，同时也是公道的．”“要是我们夫妻俩听过卢瑟福的贝克利演讲的话，就不会让查德威克捷足先登了．”约里奥·居里失之交臂的发现，使他未能象他的岳母居里夫人那样获得两次诺贝尔奖．查德威克因发现中子而获得 1932 年的休斯奖章．1935 年度的诺贝尔物理学奖．

中子的发现使人们对原子核结构有了新的认识．1932 年苏联科学家伊凡宁科在《关于中子作用的假说》一文中提出：“原子核仅由中子和质子所构成，不含电子”．海森堡在《论原子核的构造》的论文中阐明了原子核是由质子和中子组成的，进而科学家们发现了核作用力的存在，为粒子物理的发展开辟了道路．中子的发现为打开原子核大门找到了一把“金钥匙”．