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核科学群英谱(3):中子的发现者---查德威克

已有 2237 次阅读 2022-6-18 21:24 |系统分类:科普集锦


     贝克勒尔、居里夫妇关于天然放射性和卢瑟福关于人工核反应的研究使得人类终于能够自主触及原子核的世界。到了这个阶段,关于原子核的深入研究似乎已经是一片光明了,然而实际情况并非如此;在此后长达十多年的时间内,原子核对于人类依然是十分神秘的。

 

为了隆重推出我们本期内“核科学群英谱”的男主角,我们先解读一下当时的科学背景。卢瑟福在1910年代末期明确地指出质子是原子核的基本组元之后,很快提出原子核由质子、与质子“封印”一起的电子组成[E. Rutherford, Proc. Roy. Soc. Vol. 97 Issue 686, pp. 374-400 (1920)], 原子核内每个电子和一个质子各自组成一个电中性形态的粒子;也就是说原子核内部有电子;不久美国物理化学家威廉-哈尔金斯(William Draper Harkins) 把这种假想的质子-电子复合粒子称为中子[W. Harkins, Philos. Mag. Vol. 42 Issue 249, pp. 305 (1921);“中子”neutron英文拼写是拉丁词 neutralis 以及表示粒子的后缀on 所组成的,当然在更正的 1899 年的某些文献也有过这个名词,这方面的讨论见相关文献(如N. Feather (1960), "A history of neutrons and nuclei. Part 1". Contemporary Physics Vol. 1 Issue 3, pp.191 (1960).]。当然,这种命名最多是一个嘴上功夫而已。当时的情况描述讨论也可以见文献 [M. Laurie Brown, "The idea of the neutrino". Physics Today Vol. 31 Issue 9, 23(1978)]。不管如何,整个二十年代十余年时间里,原子核内部组分的主流看法就是那种质子+电子,这个思想也是容易理解和想象的,因为卢瑟福已经能够从原子核里弄出质子来,说明质子是原子核的组分;人们从beta衰变实验中已经看到了电子从原子核里自己就跑出来的现象,自然而然、想当然地认为电子也是原子核的组分,物理学是实验的科学,而且这个看法眼见为实、合情合理。

 

不过这种质子-电子的“模型”也遇到很大“麻烦”。在20年代量子力学发展迅猛,海森堡的不确定关系在20年代已经发展起来;假如在原子核内有一个电子,或者一个电子与质子组成一个电中性的复合系统,那么这根据不确定关系,电子的动能就会非常大,远远超过我们平常所见 beta 衰变过程中电子的能量,电子有那么大的动能又怎么能束缚在原子核内呢?另一方面,自旋概念在20年代初期已经建立起来了,很快人们认识到质子和电子的自旋都是半整数。按照原子核组分的质子-电子模型,氮-14 同位素应该由14个质子和7个电子组成,自旋应该是半整数,这与实验结果不一致。

 

我们之所以这么详尽地交待当时的历史条件和知识状况,是为了烘托我们本节推出的英雄-----中子的发现者查德威克 (James Chadwick),以及在那个年月里人类在认识原子核早期所面临的困境和挑战。

 

下面终于轮到我们的主角出场了!不过,令读者有点儿失望的是,在中学时期的查德威克并还没有耀眼的主角光环,甚至有点儿象《射雕英雄传》里郭靖出场那样,查德威克在彼时还是一个木讷的笨少年,成绩也很一般,甚至有时不会做题而不能完成作业。所以,查德威克成长过程可能有一点儿冥冥之中的巧合因素,或者说他在事业开挂的过程中有“好命”。

 

查德威克虽然中学成绩一般,不管怎样他在1908年阴差阳错地进了曼切斯特大学、又阴差阳错地进了物理系[本来报考的是数学却被物理系录取了]。非常巧的是,我们在前文中的超级大师卢瑟福在1907年去曼切斯特大学做物理系主任。据记载,那时查德威克还住在家里,每天步行往返6公里外的学校。不知道他靠什么神奇的方法打动了系主任卢瑟福,总之他找卢瑟福指导他做毕业论文,卢瑟福就让他设计一个装置可以比较两个放射源的释放能量值。这时候的查德威克已经有了一些个人心得,具备了很强的独立思考能力。据说查德威克很早就知道卢瑟福说的那种做法行不通但是又不敢说出来[看来对于导师的敬畏是全世界学生的通病],只得硬着头皮做了另一种方法交了差事,这个工作后来还在他毕业的次年发表在当时的主流期刊上[E. Rutherford and J. Chadwick, Proc. Phys. Soc. 24 Issue 1, 141 (1912)], 这件事对于当时的查德威克是一个不小的荣誉。查德威克1911年毕业后,卢瑟福就把他在留在学校继续做放射性研究工作。

 

 有了这个经历垫底,他自己独立做了一些事情并写了论文,不久获得了奖学金去德国工作,1913年跟随 Hans Geiger学习 beta 衰变,他作为独立作者在德国的期刊很快发表了一篇论文 [J. Chadwick, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (德文)Vol. 16, 383–391 (1914)]据说查德威克在柏林见过大神爱因斯坦并就自己工作请教爱因斯坦,可惜爱因斯坦那时没有这方面的经验。不久,第一次世界大战(1914)爆发,因为德英两国是敌对国,查德威克就被送进了集中营,在那里待了4年。很传奇的是,查德威克遇到同被关在集中营内的一个英国军官并给那个军官滔滔不绝、不知疲倦地讲授原子物理。两个人一个愿意教、另一个又很愿意学, 德国人闻之,告知于当局。德国军方基于各种考量居然同意查德威克在集中营里搭建实验室,因而在一战期间查德威克竟然奇迹梦幻般地在集中营里工作了4年时间!

 

在1918年末(一战结束后),查德威克从集中营回到英国;而卢瑟福在1919年去卡文迪许实验室,就把回国不久的查德威克又一次揽在身边。查德威克在卢瑟福门下于1921年获得博士学位,此后十多年在卡文迪许实验室,直到1935年获得诺贝尔奖后才去了利物浦大学做教授。

 

我们下面把时间直接调到二十世纪三十年代初期。查德威克和卢瑟福从1919年起到二十世纪三十年代初当然一直也没有闲着,在放射性研究方面有许多成就,不过那些成就都不如我们要讨论的那个事情[即中子的发现]扣人心弦,我们就直接跳过去吧。总之,在过去的那个十余年时间人们依然在黑暗中探索“什么是原子核结构的基本零件”。

 

在三十年代初期,有两个实验结果很引入注目。第一个结果是德国的波特(Walther Bothe)及其学生贝克(Herbert Becker) 的实验,他们在1928-1930年用钋产生的alpha 粒子轰击铍,发现一种电中性并且穿透力很强的辐射,他们认为这个辐射是高能量的gamma 光子。第二个结果是1932年1月约里奥-居里夫妇 (Jean Frederic Joliot-Curie 和 Iren Joliot-Curie)重复这个实验时并有所发展,他们在铍靶与探测装置之间放了一块石蜡,本意是看看石蜡是否对于这种辐射有吸收,观测结果却令人意外-----这种电中性的辐射却从石蜡种打出了许多质子,而且质子速度还很快。当时约里奥-居里夫妇的解释是 gamma 射线的Compton 效应。

 

查德威克在卡文迪许实验室在做类似的事情。当有人把约里奥-居里夫妇的解释告诉卢瑟福时,卢瑟福大叫“绝不相信!”。查德威克马上重复了约里奥-居里夫妇的实验,当然也加了一些戏码,例如用这种电中性的“射线”去轰击别的靶,如氢、氦、氮等。作为卢瑟福的学生,查德威克当然深知卢瑟福在1920年的那种质子-电子的复合电中性粒子的假说,于是用云室去观测这个过程,结果认定这个辐射的本质是一种质量与质子相当的中性粒子,而且这种粒子就是卢瑟福所预言的那种复合粒子(质子-电子某种复合体)。他直接采用了本文前面提到的哈尔金斯建议的命名,称之为中子。从知道约里奥-居里夫妇开始仅仅一个月后,查德威克就发表了他的结果,同时宣布他发现了中子。

 

查德威克的发现一经公布,立即在物理学界引起了轩然大波,人们热烈讨论这个结果。 例如尼尔斯-玻尔(Niels Bohr) 和海森堡立即认为,查德威克发现的中子和电子、质子一样的“基本”粒子,而不是由质子-电子组成的复合系统。海森堡那段时间在这个问题上写了很多有趣而且重要的文章,我们在后面还会提到。不管怎样,中子到底是否是“基本”的?这个问题是必须要依靠实验来回答的。

 

回答这个问题过程实际上还有一个小小的曲折。作为卢瑟福的粉丝,查德威克骨子里应该是拥护卢瑟福的吧,就像他在做本科毕业论文时即使老师的做法不可行他也没有敢吭声, 1933-1934年间的查德威克是否依旧如此不得而知。不过,在1933年查德威克在一次获奖演说中说:[根据“那时”的实验数据!] 中子的质量大约为 1.0067 原子质量单位,一个质子加上一个电子的质量之和大约为 1.0078 原子质量单位;从这个意义上说,中子作为一个质子和一个电子的束缚态复合系统与已有知识似乎是相容的,因为他测量的中子质量低于质子+电子的质量,虽然结合能只有小小的1 MeV 左右,但是似乎可以接受[尊敬的读者们不要纠结于那时的实验数据…]。同时期其它研究组的结果尚不能相互一致,中子的质量测量与查德威克的结果相比有大有小。这时候一个年青的学生古德哈勃 (Maurice Goldhaber,我们在后边还会提到他) 出来帮了大忙。古德哈勃提出可以利用 gamma 射线轰击氘核把氘核分解为一个质子和一个中子的核反应过程能量守恒来测量中子的质量。氘核的结合能很小,只有2.2 MeV, 这个反应很容易就可以实现。最后这个实验很成功,测量结果时中子的质量大约为 1.0084 原子质量单位 1.0090 原子质量单位。不管怎样,这个结果都比质子加上电子的质量还要大,人们就只得放弃“中子是质子-电子复合束缚系统”的假定了。所以,中子真的是与质子、电子类似的“基本”粒子。

 

中子作为一种“基本”粒子的确认是物理学中一个重要事件,人们立即认识到原子核是由质子和中子组成的,这宣告了原子核物理的诞生,其意义非同寻常。原子核科学从此摆脱了在黑暗中摸索的困境,走上了一条康庄大道!

 

那么发现中子的功劳到底算查德威克一个人呢,还是约里奥-居里夫妇也有份儿?这个不好说。有个别人评述说,约里奥-居里夫妇功劳不大;但是这事情在当时是有争议的。当时很多人建议是把奖发给三个人,就像1903年把奖发给贝克勒尔、居里夫妇一样。卢瑟福那时已经名满天下,他能一言九鼎了。据记载,在评奖过程中卢瑟福说:“约里奥-居里夫妇那么聪明,反正以后他们有的是机会,他们肯定会获奖的”。因此1935年的诺贝尔物理奖只发给了查德威克。不管如何,反正这些现在已经成为过去。不知道诺贝尔奖是否有内部平衡协调,约里奥-居里夫妇与查德威克在同一年被授予诺贝尔奖,只是约里奥-居里夫妇得的是化学奖而已,这应该算是一个皆大欢喜的结果。

 

 




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