發(fā)現(xiàn)背景
1920年，盧瑟福就在著名的貝克爾演講（Bakerian Lecture）中做出中子存在的理論預(yù)言。為了檢驗(yàn)盧瑟福的假說，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室從1921年就開始了實(shí)驗(yàn)工作。
盧瑟福曾請(qǐng)格拉森（J.L.Glasson）在氫氣中放電
時(shí)尋找中子的產(chǎn)生，不久，羅伯茲（J.K.Roberts）也
做了類似的實(shí)驗(yàn)。
1923年查德威克得到盧瑟福的贊同，用游離室和
點(diǎn)計(jì)數(shù)器作為檢測(cè)手段,嘗試在大質(zhì)量的氫化材料中
檢測(cè)γ輻射的發(fā)射。
在初步作了這些嘗試之后，查德威克考慮到中子
只有在強(qiáng)電場(chǎng)中形成的可能性，但沒有合適的變壓器
可用。
正當(dāng)查德威克著手進(jìn)一步開展探討中子的研究 時(shí)，柏林的玻特（Ｗ.Bothe）和巴黎的約里奧-居里夫圖13.1 盧瑟福正在演講 婦（Joliot-Curies）相繼發(fā)表了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
玻特是德國(guó)著名物理學(xué)家，曾在蓋革的研究所里工作。從1928年起，玻特和他的學(xué)生貝克爾（H.Becker）用釙發(fā)射的α粒子轟擊一系列輕元素，發(fā)現(xiàn)α粒子轟擊鈹時(shí)，會(huì)使鈹發(fā)射穿透能力極強(qiáng)的中性射線，強(qiáng)度比其它元素所得要大過十倍。用鉛吸收屏研究其吸收率，證明這種中性輻射比γ射線還要硬。1930年，玻特和貝克爾率先發(fā)表了這一結(jié)果，并斷定這種貫穿輻射是一種特殊的γ射線。
在巴黎， 居里實(shí)驗(yàn)室的約里奧-居里夫婦也正在進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)。他們把石蠟板放在放射源和游離室之間，發(fā)現(xiàn)靜電計(jì)偏轉(zhuǎn)激增。石蠟含氫，會(huì)不會(huì)是氫核被鈹輻射撞擊形成新的射線？于是他們加磁場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)，磁場(chǎng)果然對(duì)這一射線有作用。遺憾的是，他們?cè)诳隙ㄊ灠l(fā)出的是質(zhì)子流之后，也和玻特一樣，把鈹輻射看成是γ射線。
1932年1月18日約里奧-居里夫婦宣布，鈹輻射的能量是如此之大，竟能把氫核（質(zhì)子）從石蠟板中撞擊出來。 隨后，他們還用云室拍到了質(zhì)子流的照片，但他們沒有擺脫玻特的錯(cuò)誤解釋。
人物介紹
查德威克 Sir James Chadwick(1891-1974)
—英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)物
理學(xué)家中子的發(fā)現(xiàn)
1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)-因發(fā)現(xiàn)中子
圖13.4 查德威克
查德威克從1921年就開始了中子的實(shí)驗(yàn)探索工作。他目標(biāo)明確，前后12年，經(jīng)歷了許多曲折，終于成功。
1914年當(dāng)他還是學(xué)生時(shí)，就發(fā)現(xiàn)b射線能譜是連續(xù)的。
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1919年查德威克回到英國(guó)，隨盧瑟福來到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，協(xié)助盧瑟福完成人工核轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究。
1920年他通過鉑、銀和銅核研究a粒子的散射，直接測(cè)出了原子核的電荷，從而完全證實(shí)了盧瑟福的原子理論和關(guān)于元素的核結(jié)構(gòu)以及核電荷數(shù)與元素的原子序數(shù)相等的結(jié)論。
1923年當(dāng)上了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室助理主任。
1935-1948年任利物浦大學(xué)教授。
1948年起任劍橋大學(xué)戈維爾和凱爾斯學(xué)院院長(zhǎng)。
1927年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。劍橋、牛津等許多大學(xué)都授予他榮譽(yù)學(xué)位。
1945年被封為爵士。
1974年7月24日在英國(guó)劍橋逝世，享年83歲。
發(fā)現(xiàn)過程
約里奧－居里夫婦的實(shí)驗(yàn)對(duì)查德威克有極大的啟發(fā)。當(dāng)查德威克讀到約里奧－居里在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》（Comptes Rendus）上的文章，文中報(bào)告了鈹輻射極其驚人的特性，他立即告訴了盧瑟福。盧瑟福表示不相信，建議盡快做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。這時(shí)查德威克正好準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗阎苽浜昧酸曉?。他以客觀的態(tài)度工作，幾天緊張的實(shí)驗(yàn)，就證明了這些奇異效應(yīng)是某種中性粒子的作用。他還測(cè)出了這種粒子的質(zhì)量。盧瑟福1920年假設(shè)的中子終于出現(xiàn)了。
1932年2月17日，查德威克寫信給《自然》（Nature）雜志，發(fā)表了他的結(jié)果，這篇通信的題目叫：“中子可能存在”，離約里奧－居里的文章不到一個(gè)月。接著，在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)通報(bào)》上他又發(fā)表了題為“中子的存在”一文，詳細(xì)報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析.
查德威克做了如下實(shí)驗(yàn)：
(1) 考察反沖現(xiàn)象的普遍性。他把各種輕元素和氣體一一進(jìn)行試驗(yàn)，證明毫無例外地都會(huì)發(fā)生核反沖現(xiàn)象。
(2) 檢驗(yàn)碰撞的能量關(guān)系。查德威克用石蠟做吸收實(shí)驗(yàn)，在石蠟板和游離室之間放置不同厚度的鋁片，作吸收曲線，由此測(cè)出石蠟放出的質(zhì)子具有5.7×106電子伏的能量。如果鈹輻射是由γ光子組成，根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，可以像康普頓效應(yīng)那樣計(jì)算出γ光子的能量應(yīng)為55×106電子伏。用同樣的鈹輻射轟擊氮，從云室中氮的反沖核留下的徑跡, 估計(jì)氮核能量約為1.2×106電子伏，計(jì)算得到的γ光子能量應(yīng)為90×106電子伏。這就表明：如果用與量子的碰撞來解釋反沖原子，則當(dāng)被碰撞原子的質(zhì)量增加時(shí)，必須假設(shè)這一量子的能量越來越大。
查德威克在論文中寫道：“顯然，在這些碰撞過程中，我們要么放棄應(yīng)用能量與動(dòng)量守恒，要么采用另一個(gè)關(guān)于輻射本性的假設(shè)。如果我們假設(shè)這一輻射不是量子輻射（即γ光子）而是質(zhì)量與質(zhì)子幾乎相等的粒子，所有這些與碰撞有關(guān)的困難都會(huì)消除?”
于是，查德威克就假定鈹輻射是盧瑟福預(yù)言的中子。
(3) 用云室測(cè)中子質(zhì)量。將氮充入云室，從云室觀測(cè)到氮原子在鈹輻射（中
8子）轟擊后的反沖速度為4.7×10厘米／秒，與同樣的鈹輻射（中子）轟擊石
蠟得到的質(zhì)子速度3.3×109厘米／秒進(jìn)行比較，可以粗略求得鈹輻射的粒子質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量非常接近。
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查德威克還進(jìn)一步根據(jù)質(zhì)譜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)推算出了中子的精確質(zhì)量為
1.0067（原子質(zhì)量單位），并對(duì)中子的性質(zhì)進(jìn)行了詳盡的分析，以確鑿的事實(shí)證明中子的存在。
發(fā)現(xiàn)的突破點(diǎn)
查德威克發(fā)現(xiàn)中子不是偶然的事件。他是在盧瑟福的中子假說指導(dǎo)下，經(jīng)過多年的努力，反復(fù)試驗(yàn)、多方探索才取得成功的。
從發(fā)現(xiàn)中子的歷史可以看出，科學(xué)上的重大成果往往是許多人共同努力的結(jié)果。玻特和約里奧－居里夫婦雖然失去了發(fā)現(xiàn)中子的機(jī)會(huì)，但他們還是作出了自己的貢獻(xiàn)，為查德威克提供了事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)。
查德威克如此快就取得這樣重大的成果，還和卡文迪什實(shí)驗(yàn)室整個(gè)集體的支持分不開的。盧瑟福自不待說，其他成員，包括年輕的研究生和來自各地的研究人員也大力相助，發(fā)揮了集體的智慧和力量。當(dāng)時(shí)，盧瑟福的親密同事，來自蘇聯(lián)的卡皮查曾組織過一“俱樂部”，每周定期聚會(huì)，交談工作中的問題和體會(huì)。這一天，正好查德威克做了有關(guān)鈹輻射的實(shí)驗(yàn)，對(duì)中子的存在還沒有完全把握，他把實(shí)驗(yàn)情況和自己的想法向大家談了。關(guān)于中子的認(rèn)識(shí)在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室里早已盡人皆知，沒有人懷疑。這時(shí)七嘴八舌地議論了近一個(gè)小時(shí)。有的建議用云室，有的提供質(zhì)譜儀的新近情況，有的自告奮勇協(xié)助查德威克??這大大地促進(jìn)了中子實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，使查德威克迅速由“中子可能存在”轉(zhuǎn)變?yōu)榭隙ā爸凶拥拇嬖凇?，盡快地作出了科學(xué)結(jié)論。
而查德威克高明之處在于，能洞察這些事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)，認(rèn)真地加以檢驗(yàn)，取其精華，去其粗偽。他之所以能做到這一點(diǎn)，當(dāng)然是和他在盧瑟福的中子假說指導(dǎo)下，長(zhǎng)期進(jìn)行探索，具有充分的思想準(zhǔn)備和技術(shù)準(zhǔn)備分不開的。而盧瑟福的中子假說，又是總結(jié)了多年來原子核研究的實(shí)踐，根據(jù)遇到的矛盾提出來的，它為實(shí)驗(yàn)研究指明了方向。
實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，是新發(fā)現(xiàn)的泉源，但是實(shí)驗(yàn)離開了理論的指導(dǎo)，缺乏正確的理論思維，就可能成為盲目的實(shí)踐。
對(duì)科學(xué)史的影響
在原子物理學(xué)的發(fā)展中，1932年發(fā)現(xiàn)中子是又一件劃時(shí)代的大事。中子的發(fā)現(xiàn)引起了一系列后果：第一是為核模型理論提供了重要依據(jù)，蘇聯(lián)物理學(xué)家伊萬寧科（D.Ivanenko）據(jù)此首先提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的理論；其次是激發(fā)了一系列新課題的研究，引起一連串的新發(fā)現(xiàn)；第三是找到了核能實(shí)際應(yīng)用的途徑。用中子作為炮彈轟擊原子核，比α粒子有大得多的威力。因此，可以說中子的發(fā)現(xiàn)打開了原子核的大門。
近水樓臺(tái)先得月
在1920年，著名英國(guó)原子物理學(xué)家盧瑟福就曾預(yù)言，在原子內(nèi)可能存在一種質(zhì)量與質(zhì)子著不多的中性粒子。他曾就此內(nèi)容到法國(guó)作了演講。當(dāng)時(shí)，約里奧夫婦（著名科學(xué)家居里夫人的女婿和長(zhǎng)女）一則忙于實(shí)驗(yàn)工作，二則認(rèn)為那不過是科普講演，無關(guān)緊要，于是沒有去聽。結(jié)果他們失去了一個(gè)很重要的理論信息。
1928年，德國(guó)物理學(xué)家玻特和貝克實(shí)驗(yàn)獲得一種穿透性很強(qiáng)的輻射。他們簡(jiǎn)單地認(rèn)為這種神秘的射線不過是一種電磁波，便沒有深究。而這次卻引起了約里奧夫婦的注意，他們繼續(xù)了玻特等人的研究，進(jìn)而用實(shí)驗(yàn)證明這種射線不可能是電磁波。但它是什么呢？他們亦感困惑不解，卻沒作進(jìn)一步探索，就將實(shí)驗(yàn)結(jié)果于1932年1月發(fā)表了。
一個(gè)月以后，這個(gè)謎被盧瑟福的助手、英國(guó)物理學(xué)家查德威克解開了：鈹放出的不是電磁波，其質(zhì)量幾乎與質(zhì)子相同，是不帶電的中子。
結(jié)果，查德威克因發(fā)現(xiàn)了中子而獲得了1935年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)。像約里奧夫婦一樣貽誤發(fā)現(xiàn)中子良機(jī)的還有奧地利女物理學(xué)家梅特涅和她的中國(guó)學(xué)生王淦昌。1930年，王淦昌在柏林大學(xué)參加一次有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的討論會(huì)，他突然來了靈感，設(shè)想做一個(gè)類似查德威克的實(shí)驗(yàn)。他曾向自己的導(dǎo)師梅特涅幾次建議做這種實(shí)驗(yàn)，但都被困于傳統(tǒng)觀念的梅特涅拒絕了。
查德威克的成功，一是因?yàn)閷⒈R瑟福的假設(shè)牢記在心，對(duì)中子的概念早有精神準(zhǔn)備；二是因?yàn)槟芗皶r(shí)抓住信息和時(shí)機(jī)，他一看約里奧夫婦的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，很快按中子的可能性來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有的放矢。小居里夫婦本已把發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)做了80％，證據(jù)都到手了，可惜由于信息閉塞，科學(xué)視野沒有放開，因此漏掉了一項(xiàng)對(duì)核物理有著巨大而深遠(yuǎn)影響的重大發(fā)現(xiàn)。
根據(jù)上面所講的原子核模型預(yù)測(cè)，盧瑟福的實(shí)驗(yàn)中氮原子核被α粒子轟擊后放出質(zhì)子而變成氧原子核。真的是這樣嗎？還需要作實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
科學(xué)家布拉克特用云霧室研究了這個(gè)核反應(yīng)。
云霧室是盧瑟福的老同事威爾遜發(fā)明的。這是一個(gè)圓盒子，盒子中的空氣含有過飽和的水蒸氣，當(dāng)帶電粒子穿過盒子里的空氣時(shí)，沿途就會(huì)產(chǎn)生一串離子，而水蒸氣就會(huì)圍繞這串離子結(jié)成小水珠，形成一條白色的云霧，因此可以很清楚地顯示出帶電粒子飛過的徑跡。加上磁場(chǎng)以后，從這條白色的云霧的長(zhǎng)短、濃淡和彎曲的方向、程度就可以分析出帶電粒子的性質(zhì)。這可以用照相的方法記錄下來。
布拉克特使α粒子打進(jìn)充有氮?dú)獾脑旗F室，然后拍照。他拍了23000張照片，結(jié)果只照到了8張人工核反應(yīng)的照片。這是1925年的事情。在照片上，像掃帚一樣的一簇白線是α粒子的徑跡，其中有一條中途停止了（說明α粒子打到氮核里去了），然后又分為兩個(gè)叉，一條細(xì)而長(zhǎng)的是質(zhì)子的徑跡，另一條短而粗的是生成的氧原子核的徑跡。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)被研究得更清楚了。
新的發(fā)現(xiàn)、新的理論、新的方法鼓舞著各國(guó)的科學(xué)家去作新的實(shí)驗(yàn)和新的探索。
德國(guó)有個(gè)青年科學(xué)家叫貝特。他想：為什么α粒子打到核里去只會(huì)放出質(zhì)子呢？難道就不可能放出電子（也就是β射線）和γ射線嗎？那些天然放射性元素大都會(huì)放出α射線或β射線，并且常常伴有γ射線，但是不放出質(zhì)子。
他研究了盧瑟福做的實(shí)驗(yàn)，注意到盧瑟福是通過觀察硫化鋅熒光屏是否發(fā)生閃光來判斷有無核反應(yīng)發(fā)生的。貝特知道，α粒子或質(zhì)子打在硫化鋅上會(huì)發(fā)出閃光，但是，如果有β射線或γ射線射在硫化鋅上，卻不會(huì)發(fā)出閃光。因此，即使有放出β射線和γ射線的核反應(yīng)發(fā)生，盧瑟福也觀測(cè)不到。
盧瑟福曾經(jīng)用α粒子射擊過鋰、鈹、硼，他沒有看到閃光，所以他認(rèn)為用α粒子射擊這幾種元素不發(fā)生核反應(yīng)。
貝特想，α粒子既然能打到氮、鎂、硫、鉀等的原子核中去，為什么就不會(huì)打到鋰、鈹和硼的原子核中去呢？可能打進(jìn)去以后放出來的不是質(zhì)子，而是不會(huì)使熒光屏閃光的β射線、γ射線等別的什么粒子。如果真是這樣，用什么方法才能觀測(cè)到它們呢？
這時(shí)候，盧瑟福的學(xué)生蓋革也在德國(guó)工作，他發(fā)明了計(jì)數(shù)器，利用電子學(xué)儀器，可以測(cè)量各種射線，并計(jì)算粒子的數(shù)目或射線的強(qiáng)度。用了這種新儀器就不需要躲在黑屋子里數(shù)熒光屏上的閃光了。
貝特用計(jì)數(shù)器去進(jìn)行研究。他用釙作為α粒子的放射源，因?yàn)獒曋环派洇亮Ｗ?，不放射β射線和γ射線，這就使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單多了。
對(duì)著α粒子源安裝了計(jì)數(shù)管，由于釙不發(fā)射β射線和γ射線，而發(fā)射出來的α粒子又穿不透計(jì)數(shù)管的玻璃壁，所以計(jì)數(shù)管沒有計(jì)數(shù)。
但是，只要在α粒子源和計(jì)數(shù)管之間放上涂有鋰、鈹或硼的片，計(jì)數(shù)管就開始計(jì)數(shù)了。這說明α粒子打到了鋰的、鈹?shù)幕蚺鸬脑雍松?，發(fā)生了核反應(yīng)，并且放出了某種射線。其中以鈹放出來的射線最強(qiáng)烈。
這是什么射線呢？貝特作了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。他加上電場(chǎng)和磁場(chǎng)試了試，發(fā)現(xiàn)射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不會(huì)偏轉(zhuǎn)，說明射線不帶電荷，不是β射線，也不是α粒子和質(zhì)子。他又用2厘米厚的鉛板試了試，射線還是穿透過去了，強(qiáng)度只減弱13％。他認(rèn)為，這種射線是極強(qiáng)的γ射線。
貝特發(fā)現(xiàn)用α粒子射擊鋰、鈹和硼也會(huì)發(fā)生核反應(yīng)，這是完全正確的。他認(rèn)為反應(yīng)結(jié)果是放出γ射線，這一點(diǎn)后來證明是錯(cuò)誤的。
在法國(guó)，居里夫人的女兒伊倫·居里和女婿約里奧-居里已經(jīng)成長(zhǎng)為原子科學(xué)家。小居里夫婦也在做貝特做過的實(shí)驗(yàn)。他們讓鈹發(fā)出的射線通過石蠟，結(jié)果產(chǎn)生了高速的質(zhì)子?？磥硎鞘炛械臍浔烩敯l(fā)出的射線碰出來了。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)又轉(zhuǎn)到英國(guó)，查德威克用鈹發(fā)出來的射線射擊氫，發(fā)現(xiàn)了高速的質(zhì)子；射擊氮原子，氮原子也被推動(dòng)了，只是速度比質(zhì)子小得多；射擊氬，氬原子也被推動(dòng)了，速度又小一些。這說明鈹發(fā)出來的射線不應(yīng)該是γ射線，而是具有一定質(zhì)量的某種粒子。
經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，查德威克認(rèn)為α粒子打在鈹核上產(chǎn)生的不是γ射線，而是一種高速的不帶電荷的中性粒子。這種粒子同氫、氮、氬的原子核碰撞，就把它們彈開了，正像他和盧瑟福以前研究的α粒子彈開氫原子核的情形一樣。
那么這種不帶電荷的中性粒子的質(zhì)量有多大呢？查德威克根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果算出來，它的質(zhì)量與質(zhì)子幾乎一樣大。
查德威克把這種不帶電荷的中性粒子叫做“中子”。
中子是人們過去還不知道的粒子，現(xiàn)在由鈹原子核中打了出來，這說明原子核中有中子。
這樣一來，組成宇宙間萬物的基本磚石就不只是質(zhì)子和電子兩種了，又多了一種——中子。
就在發(fā)現(xiàn)中子的1932年，人們利用云霧室還發(fā)現(xiàn)了由地球外面的宇宙空間射來的一種電子，它帶著陽電荷，而質(zhì)量和普通的帶陰電荷的電子一樣。這就是正電子。
問題又復(fù)雜起來了。
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