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查德威克与中子的发现
发布时间:2017-06-03文章来源:浏览者:474

■Ernie Tretkoff/文

■萧如珀、 杨信男/译

■译自 APS News,2007 年 5 月

 

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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(Hans Geiger)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: 该邮件地址已受到反垃圾邮件插件保护。要显示它需要在浏览器中启用 JavaScript。

 

来源:《现代物理知识》第22卷第3期 

原标题《1932年5月:查德威克描述中子的发现》