中子發現歷程背后的幾位科學家

吳曉松 宋浦泉

(重慶涪陵第五中學校 重慶 408099)

1 盧瑟福首次提出中子的假說

1896年，法國物理學家亨利·貝可勒爾(H.Becquerel)首先發現，鈾和富含鈾的礦石中可以產生肉眼看不見的輻射，這種輻射能夠透過黑紙使照片底版感光.經過了幾次實驗后，他指出這種射線不是倫琴(W.K.Rontgen)在一年前發現的X射線，而且進一步認為產生輻射的能力是鈾原子本身的特性.實際上貝可勒爾的這個發現，是人類首次在實驗室中觀察到的天然放射現象.但是貝可勒爾的放射源只有鈾一種元素，使得研究有極大的局限.

天然放射現象的下一次重大進展是皮埃爾·居里夫婦(P.Curie,M.Curie)做出的，受貝可勒爾的鼓舞，居里夫婦對鈾和含鈾的各種礦石進行了深入研究，到1902年，又相繼發現了兩種比鈾的輻射性還強很多倍的元素釙和鐳.

原子核現象的第三次重大突破源于英籍科學家歐內斯特·盧瑟福(圖1,E.Rutherford)的功勞，他于1919年用鐳放射出的α粒子去轟擊氮原子核，產生了氧的一種同位素——氧17和一個質子.這是人類第一次實現原子核的人工轉變.此后不少自然科學家們都陸續研究了輕核的反應過程，他們用類似的方法從氟、鈉、鋁等原子核中都打出了質子.這讓盧瑟福敏銳地想到，質子必定是原子核的組成要素之一.質子帶正電荷，它的電荷量大小與一個電子的電荷量相等，而質子的質量約為電子的1 836倍.但原子核全是由質子組成的嗎？如果原子核中只有質子，那么任何一種原子核的質量與電荷量之比，都應該等于質子的質量與電荷量之比.事實上絕大多數原子核的質量與電荷量之比都大于質子的相應比值.因此，盧瑟福認為原子核里除了質子外，還應該含有電子.但是，對于電子為何能夠穩定地存在于原子核內，必須給予一個圓滿的說明.

圖1 盧瑟福(1871-1937)

1920年6月3日，盧瑟福在一場有名的演講——第二次英國皇家學會巴克里安演講(Bakerian Lecture)中預言道：“在某些情形下，或許有機會使電子與質子緊密牢固地融合在一起，從而產生一個中性的雙胞.這種雙胞可能具有很新穎的性質，比如它的外場可能是零，使其能夠自由地穿透物質，故很難用光譜儀檢測它的存在.它將很容易地進入原子內部，或與核結合在一起，或被強核場所分解.”由于質子帶正電，而電子帶負電，因此二者結合后將成為中性的粒子，盧瑟福的演講首次預言了存在一種電中性的粒子.之后在1921年4月份第三屆索爾維會議的討論上，盧瑟福明確地提出原子核中可能有一個中性粒子，這個中性粒子由質子和電子在非常短的距離內組成.而且這些中性粒子在原子核內不會對質子施加庫侖力，它們在較重的原子核集合中充當中介，否則很難理解質子如何抵抗庫侖排斥力.同年，美國的一位化學家哈金斯(W.D.Harkins)認為盧瑟福的假說很有道理，并把這種中性粒子稱為“中子”.至此中子的概念被盧瑟福等人完整地建立起來了.但這僅僅是一個假說，由于當時人們尚不能直接從實驗中發現自由中子，為此，盧瑟福首先請格拉森(J.L.Glasson)在氫氣放電中尋找中子，不久又請羅伯茲(J.K.Roberts)也做了相關的實驗.1923年盧瑟福的研究生查德威克(J.Chadwick)在卡文迪許實驗室用云室和點計數器作為檢測手段，試圖通過在大質量的氫化材料上面檢測γ輻射，并用它去撞擊原子核.但是因為缺乏合適的變壓器來產生強電場，這幾次實驗均無重大收獲.

2 博特和貝克爾的第一次實驗突破

在盧瑟福的巴克里安演講及第三屆索爾維會議后，許多知名物理學家加入到尋找中子的行列.其中德國物理學家博特(圖2，W.Bothe)和助手貝克爾(Herbert Becker)在1930年終于有了驚人的實驗發現.當用天然放射性元素釙放出的α粒子去轟擊鈹原子時，產生了一種未知射線，他們稱為“鈹輻射”.

圖2 博特(1891-1957)

為了弄清這種鈹輻射的特性，他們在真空條件下把這種射線放在磁場的任意方向中，結果發現該射線都不偏轉.博特還把這種輻射置于強電場中測試，結果發現也不受電場的影響，這說明鈹輻射射線是一種中性射線.此外他們還試著把不同的物體放在鈹輻射射線經過的路徑上，通過尖端式計數管(一種改裝后的蓋革計數器，當時幾乎只對γ射線靈敏)發現這種射線的穿透能力極強，在穿透2 cm厚的鉛板后強度只減弱30%.即使在4 cm的鉛板中，強度還是沒有減弱多少.按照以往的經驗穿透能力最大的輻射射線是γ射線，天然放射的γ射線可以穿透幾毫米厚的鋁板，而這種鈹輻射射線居然比天然放射的γ射線的穿透能力還大10倍，通過理論估算推測它的能量大約在10 MeV.顯然這種鈹輻射就不是天然放射的γ射線了，可是博特卻固執地認為這種鈹輻射射線是一種特殊的高能γ射線.并將之公布于眾.

3 約里奧·居里夫婦不成功的理論解釋

1930年博特和貝克爾的實驗結果公布于眾之后，韋伯斯特(Webster)對這種鈹輻射射線的特征作了仔細鑒定，盡管也發現了它的中性性質和超強的穿透能力，但認為這種現象難于解釋，所以沒有繼續深入研究.

圖3 約里奧·居里夫婦

實際上約里奧·居里夫婦離中子的發現已經不遠了.但可惜的是，他們未能及時了解盧瑟福的中子假說.盡管他們在博特實驗的基礎上中取得了更大的進展，但是在理論上卻錯誤地認為石蠟被鈹輻射照射時產生質子是一種康普頓效應，即高能量的光子同質子間的康普頓散射，他們仍然認為中性的鈹輻射射線是一種特殊的高能γ射線，這樣又回到了博特的硬γ射線觀點，使得他們再次錯過了發現中子的機會.與此同時，美國加州大學伯克利分校的實驗物理學家勞倫斯(E.Lawrence)和他的同行們也犯了類似的錯誤.他們只專注于加速裝置的實驗研發，而忽略了理論研究的重要性.雖然在實驗中早已發現了在關閉回旋加速器后，計數器上有反常表現，卻為了消除這種“反常”又設置了一個特殊部件，使計數器與加速器同時關閉.這一完全未經思考的措施，使他們沒有在法國人之前發現人工放射性，因而也就不能更早地發現自由中子.

4 查德威克重新抓住機遇 十年終圓夢

約里奧·居里夫婦的實驗結果和他們提供的康普頓散射的解釋刊登在1932年1月18日的《法國科學院通報》上.查德威克(圖4)之前在卡文迪許的實驗一直未能取得重要突破，差不多花了10年的時間，還沒有任何線索.一個月之后，當他看約里奧·居里夫婦的文章后，隱約感覺機遇來臨了，并把這件事告訴了他的老師盧瑟福.盧瑟福感到非常驚訝，同時指出應該相信這些觀察，至于如何解釋它，那是另外一回事了.并建議盡快做實驗來重新檢驗.

圖4 查德威克

為了進一步精確地測量出該中性粒子的質量，查德威克根據同事阿斯頓設計的質譜儀做了大量實驗，最終計算出該中性粒子的精確質量為1.006 7 u.這不就是他苦苦追尋10年的中子嗎？1932年2月17日，查德威克寫信給《自然》雜志，發表了他得出的結論，這篇通訊的標題就叫《中子可能存在》，離約里奧·居里的文章還不到一個月.緊接著，在《英國皇家學會通報》上，又刊登了他的題為《中子的存在》一文，可以看出標題中已經去掉了“可能”兩個字，盧瑟福1920年的中子假說終于以確鑿的證據被發現了.值得一提的是，此時在查德威克心里其實和他老師盧瑟福一樣，認為所謂的中子是質子和電子的復合粒子，它沒有質子基本.直到1934年當查德威克和歌德哈伯用γ射線轟擊氘核再次得到質子和中子后，人們才確認中子和質子一樣基本，原子核里面其實并沒有電子.

5 中子發現的時代影響和教育意義

自由中子的發現是原子核物理學史上的一座里程碑，有著重要的時代意義和思政教學意義.在中子探測的發展歷史中，涌現出的這一大批自然科學家們對后來原子核的組成和核能的利用都做出了不可磨滅的功績.首先是前蘇聯物理學家伊萬年科(Dmitri Ivanenko)和德國物理學家海森堡(W.Heisenberg)以及意大利理論物理學家馬約拉納(E.Majorana)據此提出了原子核的“質子-中子”模型代替了“質子-電子”模型.這樣人類才認識到原子核是由質子和中子組成的.其次，人們對原子量與原子序數的聯系，以及原子核的自旋和穩定性等重大課題，有了全新的認識.最后，人類對于中子的廣泛研究和使用，促進了核物理的飛躍發展，開創了嶄新的能源時代.僅20世紀30年代的前3年，有關核物理的國際會議就有4次，包括1931年10月意大利的羅馬會議，1932年7月法國的巴黎會議，1933年10月比利時魯塞爾的第七屆索爾維會議，以及同年英國的倫敦會議.這些會議不但聚集了當時核物理領域的絕大多數頂級物理學家(第七屆索爾維會議就聚集了20名諾貝爾獎得主)，會上也探討論了不少重大課題，例如費米(E.Fermi)的β衰變機制，約里奧·居里夫婦的人工放射現象，狄拉克(P.Dirac)的正電子理論以及加速器建設和人工核反應等等.

中子的發現，為原子核大門的打開找到了一把金鑰匙.可以說整個30年代由于中子的發現，核物理以異常迅猛的態勢發展和豐富起來，為新科技、新材料的產生與發展創造了肥沃的土地.

縱觀中子的發現歷程，盡管有前輩們在各個方面為查德威克最后發現中子奠定了基礎，但最主要的功績還是屬于查德威克.因為是他最先突破常規的思想，大膽提出“中子”是一種新的粒子.這就需要不斷創新的精神和敢于破除傳統思想禁錮的勇氣.1932年，查德威克由于研究中子而被授予休斯獎章，1935年由于發現中子的巨大功績，更是榮獲了諾貝爾物理學獎.博特發現了“鈹輻射”卻并沒有意識到那便是中子，約里奧·居里夫婦也遺憾地與中子的發現擦肩而過，多年以后他們還深感惋惜.假如他們此前聆聽了盧瑟福的科學講座，或許就不會錯過這個重大發現.盡管這是科學技術史上一次“真理碰到了鼻子還沒有發現”的經典案例，但他們并沒有一直懊喪而躊躇不前，也明白了科學信息的交流與思維碰撞的重要性.就在查德威克獲獎的那一年即1935年，約里奧·居里夫婦因為發現了人工放射性而榮獲諾貝爾化學獎；1954年博特因深入研究了宇宙輻射及由此導致的許多新發現而榮獲諾貝爾物理學獎.