吳曉松 宋浦泉

(重慶涪陵第五中學(xué)校 重慶 408099)

1 盧瑟福首次提出中子的假說(shuō)

1896年，法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝可勒爾(H.Becquerel)首先發(fā)現(xiàn)，鈾和富含鈾的礦石中可以產(chǎn)生肉眼看不見(jiàn)的輻射，這種輻射能夠透過(guò)黑紙使照片底版感光.經(jīng)過(guò)了幾次實(shí)驗(yàn)后，他指出這種射線不是倫琴(W.K.Rontgen)在一年前發(fā)現(xiàn)的X射線，而且進(jìn)一步認(rèn)為產(chǎn)生輻射的能力是鈾原子本身的特性.實(shí)際上貝可勒爾的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，是人類(lèi)首次在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的天然放射現(xiàn)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(xiàn)象的下一次重大進(jìn)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(duì)鈾和含鈾的各種礦石進(jìn)行了深入研究，到1902年，又相繼發(fā)現(xiàn)了兩種比鈾的輻射性還強(qiáng)很多倍的元素釙和鐳.

原子核現(xiàn)象的第三次重大突破源于英籍科學(xué)家歐內(nèi)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(chǎn)生了氧的一種同位素——氧17和一個(gè)質(zhì)子.這是人類(lèi)第一次實(shí)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變.此后不少自然科學(xué)家們都陸續(xù)研究了輕核的反應(yīng)過(guò)程，他們用類(lèi)似的方法從氟、鈉、鋁等原子核中都打出了質(zhì)子.這讓盧瑟福敏銳地想到，質(zhì)子必定是原子核的組成要素之一.質(zhì)子帶正電荷，它的電荷量大小與一個(gè)電子的電荷量相等，而質(zhì)子的質(zhì)量約為電子的1 836倍.但原子核全是由質(zhì)子組成的嗎？如果原子核中只有質(zhì)子，那么任何一種原子核的質(zhì)量與電荷量之比，都應(yīng)該等于質(zhì)子的質(zhì)量與電荷量之比.事實(shí)上絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量與電荷量之比都大于質(zhì)子的相應(yīng)比值.因此，盧瑟福認(rèn)為原子核里除了質(zhì)子外，還應(yīng)該含有電子.但是，對(duì)于電子為何能夠穩(wěn)定地存在于原子核內(nèi)，必須給予一個(gè)圓滿的說(shuō)明.

圖1 盧瑟福(1871-1937)

1920年6月3日，盧瑟福在一場(chǎng)有名的演講——第二次英國(guó)皇家學(xué)會(huì)巴克里安演講(Bakerian Lecture)中預(yù)言道：“在某些情形下，或許有機(jī)會(huì)使電子與質(zhì)子緊密牢固地融合在一起，從而產(chǎn)生一個(gè)中性的雙胞.這種雙胞可能具有很新穎的性質(zhì)，比如它的外場(chǎng)可能是零，使其能夠自由地穿透物質(zhì)，故很難用光譜儀檢測(cè)它的存在.它將很容易地進(jìn)入原子內(nèi)部，或與核結(jié)合在一起，或被強(qiáng)核場(chǎng)所分解.”由于質(zhì)子帶正電，而電子帶負(fù)電，因此二者結(jié)合后將成為中性的粒子，盧瑟福的演講首次預(yù)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(huì)議的討論上，盧瑟福明確地提出原子核中可能有一個(gè)中性粒子，這個(gè)中性粒子由質(zhì)子和電子在非常短的距離內(nèi)組成.而且這些中性粒子在原子核內(nèi)不會(huì)對(duì)質(zhì)子施加庫(kù)侖力，它們?cè)谳^重的原子核集合中充當(dāng)中介，否則很難理解質(zhì)子如何抵抗庫(kù)侖排斥力.同年，美國(guó)的一位化學(xué)家哈金斯(W.D.Harkins)認(rèn)為盧瑟福的假說(shuō)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(lái)了.但這僅僅是一個(gè)假說(shuō)，由于當(dāng)時(shí)人們尚不能直接從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)自由中子，為此，盧瑟福首先請(qǐng)格拉森(J.L.Glasson)在氫氣放電中尋找中子，不久又請(qǐng)羅伯茲(J.K.Roberts)也做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn).1923年盧瑟福的研究生查德威克(J.Chadwick)在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室用云室和點(diǎn)計(jì)數(shù)器作為檢測(cè)手段，試圖通過(guò)在大質(zhì)量的氫化材料上面檢測(cè)γ輻射，并用它去撞擊原子核.但是因?yàn)槿狈线m的變壓器來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，這幾次實(shí)驗(yàn)均無(wú)重大收獲.

2 博特和貝克爾的第一次實(shí)驗(yàn)突破

在盧瑟福的巴克里安演講及第三屆索爾維會(huì)議后，許多知名物理學(xué)家加入到尋找中子的行列.其中德國(guó)物理學(xué)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn).當(dāng)用天然放射性元素釙放出的α粒子去轟擊鈹原子時(shí)，產(chǎn)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?cè)谡婵諚l件下把這種射線放在磁場(chǎng)的任意方向中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該射線都不偏轉(zhuǎn).博特還把這種輻射置于強(qiáng)電場(chǎng)中測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)也不受電場(chǎng)的影響，這說(shuō)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(jīng)過(guò)的路徑上，通過(guò)尖端式計(jì)數(shù)管(一種改裝后的蓋革計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)幾乎只對(duì)γ射線靈敏)發(fā)現(xiàn)這種射線的穿透能力極強(qiáng)，在穿透2 cm厚的鉛板后強(qiáng)度只減弱30%.即使在4 cm的鉛板中，強(qiáng)度還是沒(méi)有減弱多少.按照以往的經(jīng)驗(yàn)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(guò)理論估算推測(cè)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(zhí)地認(rèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果公布于眾之后，韋伯斯特(Webster)對(duì)這種鈹輻射射線的特征作了仔細(xì)鑒定，盡管也發(fā)現(xiàn)了它的中性性質(zhì)和超強(qiáng)的穿透能力，但認(rèn)為這種現(xiàn)象難于解釋，所以沒(méi)有繼續(xù)深入研究.

圖3 約里奧·居里夫婦

實(shí)際上約里奧·居里夫婦離中子的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)不遠(yuǎn)了.但可惜的是，他們未能及時(shí)了解盧瑟福的中子假說(shuō).盡管他們?cè)诓┨貙?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上中取得了更大的進(jìn)展，但是在理論上卻錯(cuò)誤地認(rèn)為石蠟被鈹輻射照射時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子是一種康普頓效應(yīng)，即高能量的光子同質(zhì)子間的康普頓散射，他們?nèi)匀徽J(rèn)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(diǎn)，使得他們?cè)俅五e(cuò)過(guò)了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會(huì).與此同時(shí)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家勞倫斯(E.Lawrence)和他的同行們也犯了類(lèi)似的錯(cuò)誤.他們只專注于加速裝置的實(shí)驗(yàn)研發(fā)，而忽略了理論研究的重要性.雖然在實(shí)驗(yàn)中早已發(fā)現(xiàn)了在關(guān)閉回旋加速器后，計(jì)數(shù)器上有反常表現(xiàn)，卻為了消除這種“反常”又設(shè)置了一個(gè)特殊部件，使計(jì)數(shù)器與加速器同時(shí)關(guān)閉.這一完全未經(jīng)思考的措施，使他們沒(méi)有在法國(guó)人之前發(fā)現(xiàn)人工放射性，因而也就不能更早地發(fā)現(xiàn)自由中子.

4 查德威克重新抓住機(jī)遇 十年終圓夢(mèng)

約里奧·居里夫婦的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guó)科學(xué)院通報(bào)》上.查德威克(圖4)之前在卡文迪許的實(shí)驗(yàn)一直未能取得重要突破，差不多花了10年的時(shí)間，還沒(méi)有任何線索.一個(gè)月之后，當(dāng)他看約里奧·居里夫婦的文章后，隱約感覺(jué)機(jī)遇來(lái)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(shí)指出應(yīng)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(shí)驗(yàn)來(lái)重新檢驗(yàn).

圖4 查德威克

為了進(jìn)一步精確地測(cè)量出該中性粒子的質(zhì)量，查德威克根據(jù)同事阿斯頓設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀做了大量實(shí)驗(yàn)，最終計(jì)算出該中性粒子的精確質(zhì)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(xiě)信給《自然》雜志，發(fā)表了他得出的結(jié)論，這篇通訊的標(biāo)題就叫《中子可能存在》，離約里奧·居里的文章還不到一個(gè)月.緊接著，在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)通報(bào)》上，又刊登了他的題為《中子的存在》一文，可以看出標(biāo)題中已經(jīng)去掉了“可能”兩個(gè)字，盧瑟福1920年的中子假說(shuō)終于以確鑿的證據(jù)被發(fā)現(xiàn)了.值得一提的是，此時(shí)在查德威克心里其實(shí)和他老師盧瑟福一樣，認(rèn)為所謂的中子是質(zhì)子和電子的復(fù)合粒子，它沒(méi)有質(zhì)子基本.直到1934年當(dāng)查德威克和歌德哈伯用γ射線轟擊氘核再次得到質(zhì)子和中子后，人們才確認(rèn)中子和質(zhì)子一樣基本，原子核里面其實(shí)并沒(méi)有電子.

5 中子發(fā)現(xiàn)的時(shí)代影響和教育意義

自由中子的發(fā)現(xiàn)是原子核物理學(xué)史上的一座里程碑，有著重要的時(shí)代意義和思政教學(xué)意義.在中子探測(cè)的發(fā)展歷史中，涌現(xiàn)出的這一大批自然科學(xué)家們對(duì)后來(lái)原子核的組成和核能的利用都做出了不可磨滅的功績(jī).首先是前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊萬(wàn)年科(Dmitri Ivanenko)和德國(guó)物理學(xué)家海森堡(W.Heisenberg)以及意大利理論物理學(xué)家馬約拉納(E.Majorana)據(jù)此提出了原子核的“質(zhì)子-中子”模型代替了“質(zhì)子-電子”模型.這樣人類(lèi)才認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子組成的.其次，人們對(duì)原子量與原子序數(shù)的聯(lián)系，以及原子核的自旋和穩(wěn)定性等重大課題，有了全新的認(rèn)識(shí).最后，人類(lèi)對(duì)于中子的廣泛研究和使用，促進(jìn)了核物理的飛躍發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了嶄新的能源時(shí)代.僅20世紀(jì)30年代的前3年，有關(guān)核物理的國(guó)際會(huì)議就有4次，包括1931年10月意大利的羅馬會(huì)議，1932年7月法國(guó)的巴黎會(huì)議，1933年10月比利時(shí)魯塞爾的第七屆索爾維會(huì)議，以及同年英國(guó)的倫敦會(huì)議.這些會(huì)議不但聚集了當(dāng)時(shí)核物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)頂級(jí)物理學(xué)家(第七屆索爾維會(huì)議就聚集了20名諾貝爾獎(jiǎng)得主)，會(huì)上也探討論了不少重大課題，例如費(fèi)米(E.Fermi)的β衰變機(jī)制，約里奧·居里夫婦的人工放射現(xiàn)象，狄拉克(P.Dirac)的正電子理論以及加速器建設(shè)和人工核反應(yīng)等等.

中子的發(fā)現(xiàn)，為原子核大門(mén)的打開(kāi)找到了一把金鑰匙.可以說(shuō)整個(gè)30年代由于中子的發(fā)現(xiàn)，核物理以異常迅猛的態(tài)勢(shì)發(fā)展和豐富起來(lái)，為新科技、新材料的產(chǎn)生與發(fā)展創(chuàng)造了肥沃的土地.

縱觀中子的發(fā)現(xiàn)歷程，盡管有前輩們?cè)诟鱾€(gè)方面為查德威克最后發(fā)現(xiàn)中子奠定了基礎(chǔ)，但最主要的功績(jī)還是屬于查德威克.因?yàn)槭撬钕韧黄瞥Ｒ?guī)的思想，大膽提出“中子”是一種新的粒子.這就需要不斷創(chuàng)新的精神和敢于破除傳統(tǒng)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(jiǎng)?wù)拢?935年由于發(fā)現(xiàn)中子的巨大功績(jī)，更是榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).博特發(fā)現(xiàn)了“鈹輻射”卻并沒(méi)有意識(shí)到那便是中子，約里奧·居里夫婦也遺憾地與中子的發(fā)現(xiàn)擦肩而過(guò)，多年以后他們還深感惋惜.假如他們此前聆聽(tīng)了盧瑟福的科學(xué)講座，或許就不會(huì)錯(cuò)過(guò)這個(gè)重大發(fā)現(xiàn).盡管這是科學(xué)技術(shù)史上一次“真理碰到了鼻子還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)”的經(jīng)典案例，但他們并沒(méi)有一直懊喪而躊躇不前，也明白了科學(xué)信息的交流與思維碰撞的重要性.就在查德威克獲獎(jiǎng)的那一年即1935年，約里奧·居里夫婦因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了人工放射性而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1954年博特因深入研究了宇宙輻射及由此導(dǎo)致的許多新發(fā)現(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).