第三十八章  发现中子

1920年6月3日，卢瑟福在英国皇家学会发表演说，讲了他上一年的工作，他用α 粒子也就是氦原子核撞击氮原子，产生了氧同位素O¹⁷。正常的氧元素的原子量是16，氮是14；用氦核（原子量4）撞击氮原子，氦核与氮原子核结合，然后放出一个质子，产生了原子量为17的氧同位素。在演说中，卢瑟福还谈到了当时对原子全部知识的了解，除了核外的电子与核内的质子以外，他推测原子核内还应该存在质量为1的中性粒子。

卢瑟福预测了这个中性粒子应当具有的性质，它可能是探测原子核最有效的工具。因为，电中性粒子可以容易地穿过核外电子层，并且不受核内正电荷的排斥而进入原子核与其发生作用。

卢瑟福让查德维克继续氮的工作，看看它与较重原子的作用。

1907年，查德维克16岁中学毕业时申请到两项奖学金；他选了其中一项，进入曼彻斯特大学学习。入学面试时他排错了队，本打算学数学的查德维克学了物理。因为当他发现面试老师问他的是物理方面的问题时，他因害羞而没有解释，却发现物理老师和物理都不错。

1913年查德维克获得硕士学位，并得到一笔研究奖金。他到了柏林，在那里结识了爱因斯坦与其他人，但是第一次世界大战开始了。因为是英国人，查德维克被捕了，10天之后他回到了实验室。然而，因为德国皇帝威廉二世的命令，所有英国人都被拘留。查德维克住在马厩里，在拘留营里呆了四年。停战以后，查德维克回到曼彻斯特，来到卢瑟福的实验室。

查德维克用尽了各种办法，试图找到这个中性粒子，却都没有成功。

1930年，两个德国人发现，用α 粒子轰击铍所激发出来的辐射的能量强度比用来做炮弹的α 粒子的能量要多，也就是说得到的能量比消耗的能量多。

查德维克让他的一个研究生重复这个试验，有了一些新的发现。后来，这个研究生离开去了别的地方，查德维克便亲自动手进行这项实验。

一个法国小组，艾琳纳·居里，发现镭的居里夫人的女儿，和她的丈夫弗雷德里克·约里奥，也开始了这一项实验。他们用钋210产生α 粒子，然后用它来激发铍，使铍发出未知射线，未知射线轰击富含氢原子的石蜡片，石蜡片后面放了一个盖革计数器，（它的得名是因为1908年盖革与卢瑟福发明了它，最终由盖革进行了完善。）石蜡受到轰击后产生的质子进入计数器，在充有气体的管腔内引起气体电离，游离的电子在一个电极上引起电流的变化，然后变化的电流在指示设备上发出声音或在示波器上产生一个脉冲，声音或脉冲的多少表明质子流的强度。

艾琳纳·居里和弗雷德里克·约里奥没有读到过卢瑟福1920年的演讲报告，因此完全没有想到中子。1932年1月18日，夫妇二人将他们的研究报告提交给法国科学院，报告的题目是《含氢物质被强γ射线照射时放出高速质子》，他们认为铍辐射的未知射线是γ射线。他们二人显然是大意了，γ射线同X射线同样是电磁波，虽然它的频率更高。X射线可以偏转电子，如康普顿效应^①所表明的，然而，质子比电子重1836倍，是不是同样会被γ射线激发出来？

2月初，在开文迪什的查德维克收到了邮件，在法国物理杂志《报告》上他看到了那对法国夫妇的这篇文章，他马上意识到，他们二人在某个地方弄错了。每天早上11点，查德维克都会去到卢瑟福的办公室，两人讨论正在进行的实验和其它感兴趣的事。这天，查德维克对卢瑟福讲了法国夫妇的报告。卢瑟福很吃惊，他们认为对这个实验应当有另外一个解释。

查德维克用自己的方法重复了这个试验，他的结论是，铍射线就是卢瑟福1920年报告中讨论过的“中子”。

在那10天的时间里，查德维克平均每晚只睡三个小时。2月17日，他给《自然》杂志送去了第一篇题为《中子可能存在》的报告。

中子发现的消息使艾琳纳·居里和弗雷德里克·约里奥感到十分懊恼。在科学的园地里每棵树上只有一个果子，他们的视线已经扫过了这个果实，却没有发现它。

中子发现的消息传到哥本哈根，那里正在准备用业余滑稽演出庆祝玻尔的理论物理研究所成立十周年，这个新发现的粒子成为滑稽剧的主题^②。

中子的发现使物质的图像完整了。中子与质子组成原子核，电子环绕原子核成为元素。

元素组成物质世界。

① 康普顿（A·H·Compton，1892—1962），美国物理学家，发现X射线被电子散射后频率变化的现象，称为康普顿效应。

②本章根据《原子弹出世记》，L·罗兹著，李汇川等译，世界知识出版社，1990年12月第一版，第162—177页。