查德威克揭示中子之谜-人类的发明故事

2024-05-19 百科知识版权反馈

【摘要】：打开原子核的大门——查德威克发现中子1932年，从英国著名的剑桥大学卡文迪许实验室里，传出一条惊人的消息；“中子发现了。”此后查德威克在老师的这项工作的基础上，继续向前探索，发现了γ射线引起的核蜕变。但是卢瑟福关于中子的想法却牢牢印在了查德威克的脑海中。居里夫妇查德威克进一步向前探索，用这种射线打击别的物体，发现其中的个别粒子能以极大的力量打进该物体的原子核内，从而撞出该核内的质子来。

打开原子核的大门——查德威克发现中子

1932年，从英国著名的剑桥大学卡文迪许实验室里，传出一条惊人的消息；“中子发现了。”它是英国著名物理学家查德威克在用α粒子轰击元素铍的实验中发现的。

詹姆斯·查德威克

詹姆斯·查德威克，1891年10月20日出生于英国的曼彻斯特。上中学时，他各门功课成绩平均发展。他给人的印象是沉默寡言，但他的学习方法却有独到之处。无论是平时做作业还是参加考试，凡是他不懂的题目就不做；他会做的题目，则做得一丝不苟，力求百分之百地正确。他的座右铭是：“不成功则已，要成功，成绩就应该是颠扑不破的。”正是由于这种不图虚名、实事求是的精神，使他一生的科学研究屡获成功。1908年，查得威克考入曼彻斯特大学，学习物理学。由于他的物理成绩突出，1911年，他在曼彻斯特大学毕业时，荣获物理优等生的称号。

大学毕业后，他被留校任教。第二年，他考取了卢瑟福的研究生。在这位原子核物理学大师的指导下，研究放射线的几个课题。不久他用α射线穿过金属箔时发生偏离的实验，有力地证实了原子核的存在。两年后，获取了理科硕士学位。同时因学习成绩优异获奖学金去德国夏洛滕堡大学，跟随计数管的发明者盖革学习放射性粒子探测技术。

正当他以全部的热情投身于科学研究的时候，第一次世界大战爆发了。英国和德国成了敌对的交战国。当时在柏林全身心投入科研工作的查德威克，迟迟未撤离德国。虽然他根本没有参加过战争，却被德国政府当作“战俘”扣留在柏林郊区的一个集中营里。对于一个酷爱科学的人来说，不得不放弃心爱的科学研究，这是件十分痛苦的事。但是，他并没有绝望，借助于德国同行普朗克、能斯特和梅特涅的帮助，查德威克和其他几位战俘科学家居然在集中营里造起了一间小小的研究室。一开始，他们只有六个人，用了一间能拴两匹马的破马棚，做起放射性实验来。他还写信告诉他在英国的老师卢瑟福说：“我在这里正专心致志地研究β射线。”

1919年，残酷的战争结束了。德国是战败国，它无条件地释放了所有的战俘，查德威克获得了自由，回到了英国。这时他的老师卢瑟福已调至剑桥大学担任卡文迪许实验室主任。他也随之来到剑桥大学，重新在卢瑟福的指导下从事放射性研究。

1920年，他通过对α真粒子散射所进行的测量，最先测定了原子核所带的绝对电量，即核电荷数。

早在1919年，卢瑟福用氮第一次探测到核蜕变效应。此后查德威克在老师的这项工作的基础上，继续向前探索，发现了γ射线引起的核蜕变。由于他在研究上的出色成绩，1923年他被提升为剑桥大学卡文迪许实验室副主任。他与老师卢瑟福密切合作，使这个实验室吸收了不少很有名望的学者，共同从事粒子的研究，取得了一系列重要的科研成果。此时，他本人也深深为利物浦的艾琳·斯图尔特·布朗小姐所爱慕，1925年，34岁的查德威克和她喜结良缘。

结婚后，查德威克和布朗小姐过着美满的家庭生活，他有两个女儿。业余时间他爱好园艺，兴致浓的时候还带着妻子女儿一起去河边垂钓。可是后来他常常连续几个月不回家，是什么使他这么着迷呢？

原来，早在1896年，法国科学家亨利·贝克勒尔发现放射性现象，当时物理学家把它解释为原子核的自发衰变，这说明原子核是由许多更小的微观粒子构成的。后来发现了电子和质子，并且知道质子是原子核的一个组成部分。然而，除了氢以外，所有元素的原子量和质子数都不相等，这说明原子核中除质子外还应该有一种不带电的粒子存在。这一想法最先是丹麦著名物理学家玻尔提出来的，接着他把这一想法告诉了卢瑟福。卢瑟福心想：原子中有带负电的电子，有带正电的质子，为什么不可以有一种不带电的“中子”呢？于是卢瑟福就组织他的学生在卡文迪许实验室开始进行一项规模巨大的实验计划，希望能把这种不带电的“中子”从轻元素的原子核中“踢”出来，从而直接证明它们的存在。但经过多年的艰苦努力，用各种不同的轻元素分别做实验都没有取得成功。但是卢瑟福关于中子的想法却牢牢印在了查德威克的脑海中。

1930年，德国物理学家玻西在一次国际会议上报告说，他在用α粒子轰击铍靶时观察到一种前所未见的很强的辐射，它能穿透几厘米厚的铅板。据当时所知，被轰击物质产生的所有射线中，只有γ射线能够穿透厚铅板，于是他没有再做深入研究，就将它当作γ射线做了报道。(www.chuimin.cn)

一年后，法国物理学家约里奥·居里夫妇重做了玻西的实验，得到了相同的结果。他们拿来一种物体放在射线经过的路径上进行实验。当由碳和氢两种轻原子构成的石蜡碰到这种射线时，他们发现石蜡的质子被打了出来。当时谁也没有发现过γ射线有如此性能。于是约里奥·居里夫妇就报道说他们发现了γ射线的新作用，至于这种射线究竟是不是γ射线，他们却没有去深入思考。

对于这种现象的出现，倒使查德威克想起了卢瑟福的预言。于是，他带着寻找中子的强烈愿望，一头扎进了实验室里，竟一连几个月也没有离开实验室一步。成百次的实验，使他忘记了心爱的女儿和无时不在牵挂他的妻子。他发现这种穿透力极强的射线，运动速度与γ射线大不相同，γ射线几乎以光速前进，而这种射线的行进速度仅有光速的十分之一。

居里夫妇

查德威克进一步向前探索，用这种射线打击别的物体，发现其中的个别粒子能以极大的力量打进该物体的原子核内，从而撞出该核内的质子来。这更是γ射线做不到的，因为γ射线没有质量，当然也就没有动量，因而根本不能将质子从原子里撞出。查德威克由此推断，这种射线不是γ射线，而是由比电子大得多甚至与质子一样大的粒子组成的。

1932年，查德威克继续实验，打算测出这种射线粒子的质量。有一天他又钻进实验室里，重复他的实验。当他得到这种新射线粒子后，又用这种粒子轰击硼，从新产生的原子核所增加的质量，计算加到硼中去的这种粒子的质量。结果算出新粒子的质量与质子大致相等。这时，他终于看到，玻西和居里夫妇说的γ射线，正是老师卢瑟福预言的不带电的粒子——中子。

“中子！这是我们多年寻找的中子！”查德威克兴奋地喊道，全实验室的人们都闻讯围了上来，与他共同分享这成功的喜悦。

查德威克成名了。他的中子论已经被后来的无数科学实验所证实。为了奖励他在中子的发现和研究中的杰出贡献，诺贝尔基金会决定将1935年度的诺贝尔物理学奖颁发给他。

中子的发现，不仅为人类认识原子核的结构打开了大门，而且还在理论上带来了一系列深刻的变革。中子发现后不久，德国物理学家海森堡提出了原子核是由质子和中子组成的模型，这种模型解释了当元素以递增质量排列时，为什么原子量的增大要比原子序数的增大快得多，而且说明了特定元素的同位素都包含相同个数的质子，但包含不同个数的中子。

第二次世界大战期间，查德威克先是在英国致力于铀的分离工作。后来，他作为英国代表团团长，率领一批科技专家前往美国的原子弹研制中心洛斯阿拉莫斯，参加首批原子弹的研制工作，即“曼哈顿计划”。当第一颗原子弹试制成功后，查德威克精疲力尽回到英国。

第二次世界大战结束后，他主要从事核物理和粒子物理的研究工作，开发原子能的利用。1974年7月24日，查德威克在剑桥大学辞别了人世，终年83岁。他作为当代最杰出的原子核物理学家之一，并且是著名的教育家，他对原子科学所做的贡献永远地载入现代科学史册。

查德威克揭示中子之谜-人类的发明故事

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