寻找万物的本源：进入原子核

之前我们聊完了历经四代物理学家，终于搞清楚了原子模型。但这在研究过程中，电子和原子核的发现也打破了“原子不可再分”的认识。于是，科学家就开始思考，电子和原子核是不是可以再分？当然，我们现在知道，电子是基本粒子，是没办法继续往下分的。而原子核实际上是可再分的，那科学家又是如何研究这个问题的呢？

今天，我们就来聊一聊：科学家对于原子核的探索。

发现质子

对于原子核的研究，其实还和上一期的老朋友卢瑟福有关。

上一期，我们有聊到卢瑟福研究原子时，用α粒子（氦核）轰击金箔，然后记录α粒子之后的变化。

通过这个办法，卢瑟福发现原子核。那关于原子核是不是可以再分，卢瑟福想到的还是用α粒子轰击的办法。其实也好理解，他无非就是想看看能不能撞开原子核，这样不就知道原子核是不是可再分了。

这次卢瑟福选择的是轰击氮原子核，结果他发现有一些极其小的物质被炸了出来。经过分析，他发现这些极其小的物质就是氢原子核。

Ａ：放射性物质 Ｃ：容器 Ｔ：阀门 Ｆ：铝箔 Ｓ：荧光屏 Ｍ：显微镜

于是，卢瑟福进行了一番推测，大概的过程是这样的：

氢原子核是原子核的基本单位，也就是说，氢原子应该是最简单的原子核。而不同种类原子的原子核应该是有一堆氢核构成的。这也和道尔顿的“原子论”中，把氢原子的原子量设定为1的思想不谋而合。

卢瑟福把氢核命名为质子。氢核带的是一个单位正电荷，电子是带一个单位负电荷。所以，氢原子呈现电中性。

从卢瑟福得出的结论来看，其他原子的质量就应该是质子数的整数倍。那这个结论到底对不对，这还是需要拉出来溜溜才知道。于是，卢瑟福开始研究这个理论适不适用于氦原子核，结果呢？

他发现，氦原子核的质量接近于质子的四倍，如果按照卢瑟福的理论，那氦原子核就应该带有4个单位正电荷，可问题是，氦原子核外只有2个电子，那岂不是氦原子要带有2个单位正电荷了么？可事实上，氦原子是电中性的，这就相互矛盾了。

经过这一番推演，为了解决这个矛盾，卢瑟福预言：原子核内应该还存在一种基本成分，它是电中性的。

发现中子

如果我们翻开历史就会发现，卢瑟福当时所在的卡文迪许实验室被称为诺贝尔奖幼儿园。在这里，前前后后诞生了10多位诺奖得主，这些人大多是卢瑟福的学生和助手。而这些人对于微观世界的贡献十分巨大，这当中就有上一期我们提到的大名鼎鼎的波尔。

除了波尔之外，还有一位低调奢华的存在，他在二战负责原子弹项目。他就是查德威克，也是卢瑟福的弟子之一。

不过，查德威克是碰巧成为了卢瑟福的弟子。话说16岁的查德威克到曼彻斯特大学注册，他的理想专业是数学。结果排队的时候排到物理专业的队伍去了。当他发现自己排错队伍的时候，他有点不好意思和紧张，不敢说自己是排错了队，最后只好硬着头皮进了物理系，还成了卢瑟福的学生。

而最终查德威克证实了卢瑟福的预言，不过在他做出成果之前，那段时间很多科学家都在试图找到卢瑟福预言的基本成分。这其中就有居里夫人的女儿和女婿，伊雷娜·约里奥-居里和手弗雷德里克·约里奥-居里。他们得知德国物理学家瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔用α粒子与铍发生碰撞后会产生奇怪的辐射。

于是，他们自己也亲自去做了这个实验，证实了这个事实，并且还对外宣布，

这种辐射可以把质子从含有氢元素的物质中赶出去。

得出这样的结论，使得伊雷娜·约里奥-居里和手弗雷德里克·约里奥-居里错过了发现中子的机会。

查德威克得知此事之后，他就认为这很有可能和卢瑟福预言的基本成分有关。于是，他设计了一个实验，同样也还是用α粒子轰击铍，然后让射线再去轰击石蜡。这种射线会把石蜡的质子轰击出来。

这时候，查德威克假定铍被轰击后，辐射出来的就是中子。然后他通过测量被打出质子的速度，推算出来中子的质量，这个质量只比质子差不多，稍微大了一点点，而且不带电。

而接下来，我们可以通过中子和质子的区别，也就是带电或者不带电来证实查德威克的发现。这里就要提到一种神奇的发明：威尔逊云室。

威尔逊云室可以用来探测游离的粒子的轨迹，是英国物理学家查尔斯·威耳逊发明的。

具体的原理是这样的，云室是一个密封的环境，里面充满了过饱和的水蒸气或者酒精。当一束粒子穿过时，云室内的混合物会相互作用，快速冷凝，就会出现一个轨迹。这其实和飞机飞行会在高空留下轨迹的道理类似。

所以，当一束带有质子和中子的辐射穿过云室的时候，也会留下来轨迹。而我们在高中物理中其实学过，运动的带电粒子在磁场中会发生偏转，而不带的粒子还会沿着直线运动。

因此，想要知道一束粒子当中是不是含有中子，我们只需给云室加上磁场就可以。下图中，直线轨迹就是中子留下来的，而曲线的就是带电粒子留下来的轨迹。

通过这样的办法也就能确定中子的存在。后来，科学家测到了中子质量是1.6749*10^-27kg，而质子的质量是1.6726*10^-27kg，发现没有？真的和查德威克推算的一样，中子质量只比质子大了一点点。

因此，查德威克成为了中子的发现者，并且在1935年获得了诺贝尔物理学奖。

核能时代

正是卢瑟福和查德威克的发现，人类打开了原子核世界。科学家开始能够在核子的层面上进行操作，也为后来的核聚变、核裂变以及核能的使用打下了坚实的基础。

但是，他们的发现也同时带来两个问题，

1. 质子和中子还能继续再分么？

2. 原子核中质子和中子为什么会被束缚在一起，是什么作用导致的？

关于这两个问题导致了物理学的进一步发展，由此还诞生了粒子物理标准模型。我们将会在后面几期详细讲述。

关于，质子和中子的发现，我们就说到这里。