查德威克与中子的发现

■Ernie Tretkoff/文

■萧如珀、 杨信男/译

■译自 APS News，2007 年 5 月

James Chadwick

直至 20 世纪 20 年代时，物理学家都知道原子大部分的质量位于其中心的原子核中，而这个中心核中含有质子。1932 年5 月，查德威克（James Chadwick）宣布原子核中还有一个新的、不带电的粒子，他称之为中子。 

查德威克于 1891 年出生在英国曼彻斯特的一个劳工阶级家庭。他是一个害羞的小孩，但他的聪明才智引起了老师的注意，所以被送到曼彻斯特大学攻读物理。他在那里和卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937，1908 年获得诺贝尔化学奖）一起研究各种不同的放射线。 

1914 年，查德威克决定到德国和盖革（HansGeiger）一起做研究，但很不幸地，在他抵达后不久就爆发了第一次世界大战，结果查德威克就在那里的一个战俘营度过了 4 年。但这并未完全终止他的科学研究，为了避免无聊，他和几个战俘组成了科学社，彼此讲课，还设法说服守卫让他们设立一个小实验室。虽然有许多化学物品很难取得，但查德威克还是在当时的德国市场找到了一种放射性牙膏，并说服守卫提供让他使用。此外，他利用一些锡箔和木头制造了一个验电器，做了一些简单的实验。 

战争结束后，查德威克回到了英国，于 1921年在剑桥完成了他的博士学位，指导教授是当时剑桥大学卡文迪什实验室主任卢瑟福。所以查德威克得以继续从事放射性研究，使用的设备比锡箔和牙膏精密许多。1923 年，查德威克被任命为卡文迪什实验室的助理主任。 

卢瑟福于 1911 年发现了原子核，并于 1919 年观测到质子。然而，原子核中除了质子外，似乎还应该有其他的东西。例如，已知氦的原子序为 2，但质量数却是4。有一些科学家认为在原子核中还有额外的质子，以及数目相同的电子，以中和多出来的电荷。1920 年，卢瑟福提议说，一个电子和一个质子应该可以形成一个新的、中性的粒子。但是此说法没有真正的证据，而且所提出的中性粒子也很难去侦测出来。 

查德威克持续做其他的研究计划，但仍继续思考此问题。1930 年左右，包括德国物理学家博特（Walter Bothe，1954 年获得诺贝尔奖）和他的学生贝克（H. Becker）在内的几个研究员都已开始使用从钋得到的α粒子撞击铍，然后研究铍因此所产生的放射线。有的物理学家认为铍所放射出，具有高度穿透性的这种放射线，是由高能量的质子所组成。但查德威克注意到此放射线的几个奇特性质，因此开始认为它可能就像卢瑟福所曾提议过的，是由中性粒子所组成。 

有一个实验特别引起了他的注意：伊莱娜和弗雷德里克·约里奥-居里（Frédéric and Irène Joliot-Curie，居里夫人的大女儿和女婿）曾经研究由铍撞击石蜡所产生的放射线，但当时无法确认其本质。他们发现该放射线另将靶内氢原子的质子撞开，而那些质子又以极高速度反冲出去。 

约里奥-居里相信，撞击石蜡靶的放射线一定是高能量的γ光子，但是查德威克却认为这种解释并不合适。查德威克推断，光子没有质量，不会将靶中重如质子的粒子撞开出来。1932 年，他自己尝试做了相类似的实验，因此确信铍所放射出的放射线事实上是一个中性的粒子，质量大约相当于一个质子。除了石蜡外，他还试着用其他的靶，包括氦、氮和锂，这有助于他确立新粒子的质量只比质子的质量多一点点。 

查德威克还注意到，因为中子未带电荷，所以它们可以穿透进靶内的程度远比质子深得多。 

在做过仅仅两周的实验后，查德威克于 1932年 2 月发表了一篇论文，标题为《中子可能存在》。在论文中他指出，实验的证据显示这个神秘射线的正确解释应该是中子，而不是γ射线光子。几个月后，在 1932 年 5 月，查德威克又送出了更确定的论文，标题为《中子的存在》。 

到了 1934 年，这个新发现的中子是一个基本粒子的事实已得到了确认，它并非如卢瑟福原先所提出的是由质子和电子的结合而成。 

中子的发现很快地改变了科学家对原子的看法，而查德威克也因此发现于 1935 年获得诺贝尔奖。科学家很快地又知道这个新发现的中子是个不带电，但相当重的粒子，可用来侦测其他的原子核。之后没多久，科学家就发现以中子撞击铀会导致铀原子核的分裂，而放射出巨大的能量，可用以制造核武器。查德威克发现了中子为原子弹铺了路，他并实际参与第二次世界大战期间的曼哈顿计划。他于 1974 年逝世。 

（本文转载自 2010 年 6 月《物理双月刊》，网址 ： http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php;萧如珀，自由业；杨信男，台湾大学物理系，Email:[e-mail]）

来源：《现代物理知识》第22卷第3期