中子发现历程背后的几位科学家

吴晓松 宋浦泉

(重庆涪陵第五中学校 重庆 408099)

1 卢瑟福首次提出中子的假说

1896年，法国物理学家亨利·贝可勒尔(H.Becquerel)首先发现，铀和富含铀的矿石中可以产生肉眼看不见的辐射，这种辐射能够透过黑纸使照片底版感光.经过了几次实验后，他指出这种射线不是伦琴(W.K.Rontgen)在一年前发现的X射线，而且进一步认为产生辐射的能力是铀原子本身的特性.实际上贝可勒尔的这个发现，是人类首次在实验室中观察到的天然放射现象.但是贝可勒尔的放射源只有铀一种元素，使得研究有极大的局限.

天然放射现象的下一次重大进展是皮埃尔·居里夫妇(P.Curie,M.Curie)做出的，受贝可勒尔的鼓舞，居里夫妇对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究，到1902年，又相继发现了两种比铀的辐射性还强很多倍的元素钋和镭.

原子核现象的第三次重大突破源于英籍科学家欧内斯特·卢瑟福(图1,E.Rutherford)的功劳，他于1919年用镭放射出的α粒子去轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子.这是人类第一次实现原子核的人工转变.此后不少自然科学家们都陆续研究了轻核的反应过程，他们用类似的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子.这让卢瑟福敏锐地想到，质子必定是原子核的组成要素之一.质子带正电荷，它的电荷量大小与一个电子的电荷量相等，而质子的质量约为电子的1 836倍.但原子核全是由质子组成的吗？如果原子核中只有质子，那么任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比.事实上绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值.因此，卢瑟福认为原子核里除了质子外，还应该含有电子.但是，对于电子为何能够稳定地存在于原子核内，必须给予一个圆满的说明.

图1 卢瑟福(1871-1937)

1920年6月3日，卢瑟福在一场有名的演讲——第二次英国皇家学会巴克里安演讲(Bakerian Lecture)中预言道：“在某些情形下，或许有机会使电子与质子紧密牢固地融合在一起，从而产生一个中性的双胞.这种双胞可能具有很新颖的性质，比如它的外场可能是零，使其能够自由地穿透物质，故很难用光谱仪检测它的存在.它将很容易地进入原子内部，或与核结合在一起，或被强核场所分解.”由于质子带正电，而电子带负电，因此二者结合后将成为中性的粒子，卢瑟福的演讲首次预言了存在一种电中性的粒子.之后在1921年4月份第三届索尔维会议的讨论上，卢瑟福明确地提出原子核中可能有一个中性粒子，这个中性粒子由质子和电子在非常短的距离内组成.而且这些中性粒子在原子核内不会对质子施加库仑力，它们在较重的原子核集合中充当中介，否则很难理解质子如何抵抗库仑排斥力.同年，美国的一位化学家哈金斯(W.D.Harkins)认为卢瑟福的假说很有道理，并把这种中性粒子称为“中子”.至此中子的概念被卢瑟福等人完整地建立起来了.但这仅仅是一个假说，由于当时人们尚不能直接从实验中发现自由中子，为此，卢瑟福首先请格拉森(J.L.Glasson)在氢气放电中寻找中子，不久又请罗伯兹(J.K.Roberts)也做了相关的实验.1923年卢瑟福的研究生查德威克(J.Chadwick)在卡文迪许实验室用云室和点计数器作为检测手段，试图通过在大质量的氢化材料上面检测γ辐射，并用它去撞击原子核.但是因为缺乏合适的变压器来产生强电场，这几次实验均无重大收获.

2 博特和贝克尔的第一次实验突破

在卢瑟福的巴克里安演讲及第三届索尔维会议后，许多知名物理学家加入到寻找中子的行列.其中德国物理学家博特(图2，W.Bothe)和助手贝克尔(Herbert Becker)在1930年终于有了惊人的实验发现.当用天然放射性元素钋放出的α粒子去轰击铍原子时，产生了一种未知射线，他们称为“铍辐射”.

图2 博特(1891-1957)

为了弄清这种铍辐射的特性，他们在真空条件下把这种射线放在磁场的任意方向中，结果发现该射线都不偏转.博特还把这种辐射置于强电场中测试，结果发现也不受电场的影响，这说明铍辐射射线是一种中性射线.此外他们还试着把不同的物体放在铍辐射射线经过的路径上，通过尖端式计数管(一种改装后的盖革计数器，当时几乎只对γ射线灵敏)发现这种射线的穿透能力极强，在穿透2 cm厚的铅板后强度只减弱30%.即使在4 cm的铅板中，强度还是没有减弱多少.按照以往的经验穿透能力最大的辐射射线是γ射线，天然放射的γ射线可以穿透几毫米厚的铝板，而这种铍辐射射线居然比天然放射的γ射线的穿透能力还大10倍，通过理论估算推测它的能量大约在10 MeV.显然这种铍辐射就不是天然放射的γ射线了，可是博特却固执地认为这种铍辐射射线是一种特殊的高能γ射线.并将之公布于众.

3 约里奥·居里夫妇不成功的理论解释

1930年博特和贝克尔的实验结果公布于众之后，韦伯斯特(Webster)对这种铍辐射射线的特征作了仔细鉴定，尽管也发现了它的中性性质和超强的穿透能力，但认为这种现象难于解释，所以没有继续深入研究.

图3 约里奥·居里夫妇

实际上约里奥·居里夫妇离中子的发现已经不远了.但可惜的是，他们未能及时了解卢瑟福的中子假说.尽管他们在博特实验的基础上中取得了更大的进展，但是在理论上却错误地认为石蜡被铍辐射照射时产生质子是一种康普顿效应，即高能量的光子同质子间的康普顿散射，他们仍然认为中性的铍辐射射线是一种特殊的高能γ射线，这样又回到了博特的硬γ射线观点，使得他们再次错过了发现中子的机会.与此同时，美国加州大学伯克利分校的实验物理学家劳伦斯(E.Lawrence)和他的同行们也犯了类似的错误.他们只专注于加速装置的实验研发，而忽略了理论研究的重要性.虽然在实验中早已发现了在关闭回旋加速器后，计数器上有反常表现，却为了消除这种“反常”又设置了一个特殊部件，使计数器与加速器同时关闭.这一完全未经思考的措施，使他们没有在法国人之前发现人工放射性，因而也就不能更早地发现自由中子.

4 查德威克重新抓住机遇 十年终圆梦

约里奥·居里夫妇的实验结果和他们提供的康普顿散射的解释刊登在1932年1月18日的《法国科学院通报》上.查德威克(图4)之前在卡文迪许的实验一直未能取得重要突破，差不多花了10年的时间，还没有任何线索.一个月之后，当他看约里奥·居里夫妇的文章后，隐约感觉机遇来临了，并把这件事告诉了他的老师卢瑟福.卢瑟福感到非常惊讶，同时指出应该相信这些观察，至于如何解释它，那是另外一回事了.并建议尽快做实验来重新检验.

图4 查德威克

为了进一步精确地测量出该中性粒子的质量，查德威克根据同事阿斯顿设计的质谱仪做了大量实验，最终计算出该中性粒子的精确质量为1.006 7 u.这不就是他苦苦追寻10年的中子吗？1932年2月17日，查德威克写信给《自然》杂志，发表了他得出的结论，这篇通讯的标题就叫《中子可能存在》，离约里奥·居里的文章还不到一个月.紧接着，在《英国皇家学会通报》上，又刊登了他的题为《中子的存在》一文，可以看出标题中已经去掉了“可能”两个字，卢瑟福1920年的中子假说终于以确凿的证据被发现了.值得一提的是，此时在查德威克心里其实和他老师卢瑟福一样，认为所谓的中子是质子和电子的复合粒子，它没有质子基本.直到1934年当查德威克和歌德哈伯用γ射线轰击氘核再次得到质子和中子后，人们才确认中子和质子一样基本，原子核里面其实并没有电子.

5 中子发现的时代影响和教育意义

自由中子的发现是原子核物理学史上的一座里程碑，有着重要的时代意义和思政教学意义.在中子探测的发展历史中，涌现出的这一大批自然科学家们对后来原子核的组成和核能的利用都做出了不可磨灭的功绩.首先是前苏联物理学家伊万年科(Dmitri Ivanenko)和德国物理学家海森堡(W.Heisenberg)以及意大利理论物理学家马约拉纳(E.Majorana)据此提出了原子核的“质子-中子”模型代替了“质子-电子”模型.这样人类才认识到原子核是由质子和中子组成的.其次，人们对原子量与原子序数的联系，以及原子核的自旋和稳定性等重大课题，有了全新的认识.最后，人类对于中子的广泛研究和使用，促进了核物理的飞跃发展，开创了崭新的能源时代.仅20世纪30年代的前3年，有关核物理的国际会议就有4次，包括1931年10月意大利的罗马会议，1932年7月法国的巴黎会议，1933年10月比利时鲁塞尔的第七届索尔维会议，以及同年英国的伦敦会议.这些会议不但聚集了当时核物理领域的绝大多数顶级物理学家(第七届索尔维会议就聚集了20名诺贝尔奖得主)，会上也探讨论了不少重大课题，例如费米(E.Fermi)的β衰变机制，约里奥·居里夫妇的人工放射现象，狄拉克(P.Dirac)的正电子理论以及加速器建设和人工核反应等等.

中子的发现，为原子核大门的打开找到了一把金钥匙.可以说整个30年代由于中子的发现，核物理以异常迅猛的态势发展和丰富起来，为新科技、新材料的产生与发展创造了肥沃的土地.

纵观中子的发现历程，尽管有前辈们在各个方面为查德威克最后发现中子奠定了基础，但最主要的功绩还是属于查德威克.因为是他最先突破常规的思想，大胆提出“中子”是一种新的粒子.这就需要不断创新的精神和敢于破除传统思想禁锢的勇气.1932年，查德威克由于研究中子而被授予休斯奖章，1935年由于发现中子的巨大功绩，更是荣获了诺贝尔物理学奖.博特发现了“铍辐射”却并没有意识到那便是中子，约里奥·居里夫妇也遗憾地与中子的发现擦肩而过，多年以后他们还深感惋惜.假如他们此前聆听了卢瑟福的科学讲座，或许就不会错过这个重大发现.尽管这是科学技术史上一次“真理碰到了鼻子还没有发现”的经典案例，但他们并没有一直懊丧而踌躇不前，也明白了科学信息的交流与思维碰撞的重要性.就在查德威克获奖的那一年即1935年，约里奥·居里夫妇因为发现了人工放射性而荣获诺贝尔化学奖；1954年博特因深入研究了宇宙辐射及由此导致的许多新发现而荣获诺贝尔物理学奖.