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“中子”是怎样被发现的?

中子的发现
在物理学史上,中子的发现经历了一段曲折而富戏剧性的认识过程.它曾与著名的实验物理学家约里奥·居里夫妇擦肩而过,而给这对夫妇带来几多遗憾.今天,重温这段历史,仍使我们受到不少启迪.
中子的发现是与人们对原子核的结构的探索分不开的.
1． 质子的发现和原子核的“质子—电子”模型假说
1911年,英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型,这个模型得到玻尔的支持和发展,很快得到物理学家们的公认.此后,一系列问题又摆在物理学家们的面前：原子核是由什么构成的?原子核还有没有结构、能不能再分?
1919年,卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验,发现了质子,第一次实现了原子核的人工嬗变.当时人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子,这样在本世纪20年代,人们普遍认为,原子核是由质子和电子组成的,并假定,原子量为N、原子序数为Z的核应由N个质子、N—Z个电子组成的,这个原子核又与Z个轨道电子组成中性原子,这就是原子核的“质子—电子”模型.但这个假说却遇到了一定的困难.困难之一：电子究竟以什么状态在原子核内.在“质子—电子”模型假设中,电子是以个体方式在核内存在的,原子核的半径估计为 ,当N=238时R约为8.7 厘米,而电子的经典半径是2.8 厘米,作为个体部分的电子竟与核的整体几乎相差无几!这是不可想象的；困难之二：根据海森堡1927年提出的测不准原理,把电子束缚在很小的核内,它的动量将有很大的不确定性,因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒；困难之三：它与量子力学中的多体统计与自旋理论相矛盾.1925年,乌伦贝克和古德斯密特根据光谱提出,电子具有自旋,它的量子数等于1/2,质子的量子数也等于1/2,这样对氮核来说,由于它有14个质子和7个电子,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.对于后两个困难,不少著名物理学家怀疑是量子力学不适用于原子核内部,而丝毫不怀疑“质子—电子”模型本身存在问题.
2． 卢瑟福关于“中子”的预言
在“质子—电子”模型的后两个困难还没有出现时,针对第一个困难,卢瑟福就指出（1920）,如果把一个质子和一个电子作为一个复合体,看成是单独的一个粒子,理论的矛盾就能够得到解决,这种“质子—电子”复合体应当是电中性的.他预言道：“在某些条件下,一个电子有可能更紧密地同氢核相结合,从而形成一个中性偶极子.这样一个原子将具有很异常的特性.它的外部电场实际上将等于零,除非很靠近它的核.因此,它能够很自由地通过物质.用分光镜来探测它的特性可能是困难的,把它保存在一个密闭的容器中也是不可能的.另一方面,它应当很容易地进入原子结构中,或是同核结合,或是被核的强场分裂.”卢瑟福声称：“这种原子的存在对于解释重元素的原子核的组成看来是必不可少的”.20年代初,卡文迪什实验室的研究者们,曾试图使强电流通过氢放电管来探测这种假设的“中子”的生成,均未获成功.
3． 博特的铍辐射实验
1930年,德国物理学家博特（w.w.G.Bothe,1891~1957）和贝克(H.Becker)用α粒子轰击较轻的元素,特别是轰击铍时,发现从铍中发射一种强度不大但穿透力极强的射线.这种射线在电场和磁场中都不发生偏转（因而不带电）,在穿透2厘米厚的铅板之后,射线的强度只减弱13%.当时把这种射线称作是铍辐射.根据当时已经发现的各种辐射的研究,α射线和β射线都没有这么强的穿透力.唯一能穿透铅板且不带电的是γ射线,因此这两位物理学家错误地认为他们发现的是高能γ射线.根据这种射线在透过铅板后强度减弱的情况,他们推算出这种射线的能量约为10兆电子伏特左右.
4． 约里奥·居里夫妇的铍辐射轰击石蜡实验
1932年,约里奥·居里夫妇重复了博特的铍辐射实验,他们的实验条件很好,有强大的射线源,很容易就得到与博特相同的结果.为了测量物质对铍辐射的吸收,他们把各种物质放在铍板与辐射测量仪之间,意外地发现,当把石蜡放在铍辐射经过的路径上时,辐射测量仪记录到的粒子数不仅没有减少,反而比不放石蜡时多得多.经过鉴定,他们发现,从石蜡里飞出的是质子.这表明,铍辐射从石蜡中打出了质子.根据打出的质子的速度,他们推算出这种射线的能量是50兆电子伏特,这与上述10兆电子伏特相去甚远.然而,约里奥·居里夫妇还是沿着博特的错误思路思考,他们把这一现象解释为光子同质子的康普顿散射.1932年1月18日,约里奥·居里夫妇发表了他们的实验结果和评论.由于他们对理论的轻视,使他们白白失去了一次发现中子的机会.
5．查德威克发现中子
约里奥·居里夫妇的论文传到英国,英国物理学家查德威克看了他们的论文并把论文的内容告诉了卢瑟福.据说卢瑟福听了他们的解释时大声喊道：“我不相信”, 查德威克也不相信这种解释,他经过一番思考,随即意识到：反冲质子有这么大的能量绝不可能是光子碰撞的结果,而很可能是十年前卢瑟福所预言的“中性粒子”碰撞所致.他用钋加铍作为放射源,使用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素,结果发现这种射线的性质与通常的射线有所不同,通常的射线照射到物质上,物质密度越大,对射线吸收的就越厉害.而这种射线的性质刚好相反,密度越小的物质越容易吸收它.查德威克用这种射线去轰击氢原子时发现,氢原子核被弹射出去,这说明这种射线是具有一定质量的粒子流.由于这种粒子流不带电,电场和磁场对它不起作用,所以不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量.查德威克认为,这种粒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,测出被碰原子核的速度,就可根据动量守恒和能量守恒把这种粒子的质量算出来.通过对氢原子和氮原子的轰击,他算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等,他把这种射线的粒子称为“中子”
6． 中子发现的意义
中子的发现对核物理学的发展有巨大而深远的影响.中子是一种全新的粒子,它的发现,使得建立一种没有电子参与的原子核模型成为可能,也解决了量子力学是否适用于原子核内部的问题.就在中子发现不久,著名物理学家海森堡就发表论文指出,量子力学同样适用于原子核内部,并指出原子核是由质子和中子构成的.由于中子不带电,它和原子核之间没有库仑斥力,它可以到达所有的原子核,使促使原子核嬗变的最有效工具；中子的发现还导致了对核力的研究,促进了粒子物理学的发展.
7． 几点启示
“中子”这个概念最初是卢瑟福为解决理论面临的困难提出来而后又在实验中找到的.查德威克所以获得成功的原因之一是,他在思想上对中子的概念早有考虑.在此之前,他曾用强放电或其他方法企图产生中子,未获成功,所以当中子出现时他能立即清楚而令人信服地发现了它；而约里奥·居里夫妇,由于没有这种思想准备,中子显然在他们的实验中出现了,可他们却不认识它.这正如约里奥所说：“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.”这从一个侧面也反映出在科学研究中学术思想的交流是多么必要.

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