■Ernie Tretkoff/文
■蕭如珀、 楊信男/譯
■譯自 APS News，2007 年 5 月
James Chadwick
直至 20 世紀(jì) 20 年代時(shí)，物理學(xué)家都知道原子大部分的質(zhì)量位于其中心的原子核中，而這個(gè)中心核中含有質(zhì)子。1932 年5 月，查德威克（James Chadwick）宣布原子核中還有一個(gè)新的、不帶電的粒子，他稱之為中子。
查德威克于 1891 年出生在英國曼徹斯特的一個(gè)勞工階級(jí)家庭。他是一個(gè)害羞的小孩，但他的聰明才智引起了老師的注意，所以被送到曼徹斯特大學(xué)攻讀物理。他在那里和盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937，1908 年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）一起研究各種不同的放射線。
1914 年，查德威克決定到德國和蓋革（HansGeiger）一起做研究，但很不幸地，在他抵達(dá)后不久就爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)，結(jié)果查德威克就在那里的一個(gè)戰(zhàn)俘營度過了 4 年。但這并未完全終止他的科學(xué)研究，為了避免無聊，他和幾個(gè)戰(zhàn)俘組成了科學(xué)社，彼此講課，還設(shè)法說服守衛(wèi)讓他們?cè)O(shè)立一個(gè)小實(shí)驗(yàn)室。雖然有許多化學(xué)物品很難取得，但查德威克還是在當(dāng)時(shí)的德國市場找到了一種放射性牙膏，并說服守衛(wèi)提供讓他使用。此外，他利用一些錫箔和木頭制造了一個(gè)驗(yàn)電器，做了一些簡單的實(shí)驗(yàn)。
戰(zhàn)爭結(jié)束后，查德威克回到了英國，于 1921年在劍橋完成了他的博士學(xué)位，指導(dǎo)教授是當(dāng)時(shí)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任盧瑟福。所以查德威克得以繼續(xù)從事放射性研究，使用的設(shè)備比錫箔和牙膏精密許多。1923 年，查德威克被任命為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的助理主任。
盧瑟福于 1911 年發(fā)現(xiàn)了原子核，并于 1919 年觀測到質(zhì)子。然而，原子核中除了質(zhì)子外，似乎還應(yīng)該有其他的東西。例如，已知氦的原子序?yàn)?2，但質(zhì)量數(shù)卻是4。有一些科學(xué)家認(rèn)為在原子核中還有額外的質(zhì)子，以及數(shù)目相同的電子，以中和多出來的電荷。1920 年，盧瑟福提議說，一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子應(yīng)該可以形成一個(gè)新的、中性的粒子。但是此說法沒有真正的證據(jù)，而且所提出的中性粒子也很難去偵測出來。
查德威克持續(xù)做其他的研究計(jì)劃，但仍繼續(xù)思考此問題。1930 年左右，包括德國物理學(xué)家博特（Walter Bothe，1954 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）和他的學(xué)生貝克（H. Becker）在內(nèi)的幾個(gè)研究員都已開始使用從釙得到的α粒子撞擊鈹，然后研究鈹因此所產(chǎn)生的放射線。有的物理學(xué)家認(rèn)為鈹所放射出，具有高度穿透性的這種放射線，是由高能量的質(zhì)子所組成。但查德威克注意到此放射線的幾個(gè)奇特性質(zhì)，因此開始認(rèn)為它可能就像盧瑟福所曾提議過的，是由中性粒子所組成。
有一個(gè)實(shí)驗(yàn)特別引起了他的注意：伊萊娜和弗雷德里克·約里奧-居里（Frédéric and Irène Joliot-Curie，居里夫人的大女兒和女婿）曾經(jīng)研究由鈹撞擊石蠟所產(chǎn)生的放射線，但當(dāng)時(shí)無法確認(rèn)其本質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)該放射線另將靶內(nèi)氫原子的質(zhì)子撞開，而那些質(zhì)子又以極高速度反沖出去。
約里奧-居里相信，撞擊石蠟靶的放射線一定是高能量的γ光子，但是查德威克卻認(rèn)為這種解釋并不合適。查德威克推斷，光子沒有質(zhì)量，不會(huì)將靶中重如質(zhì)子的粒子撞開出來。1932 年，他自己嘗試做了相類似的實(shí)驗(yàn)，因此確信鈹所放射出的放射線事實(shí)上是一個(gè)中性的粒子，質(zhì)量大約相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子。除了石蠟外，他還試著用其他的靶，包括氦、氮和鋰，這有助于他確立新粒子的質(zhì)量只比質(zhì)子的質(zhì)量多一點(diǎn)點(diǎn)。
查德威克還注意到，因?yàn)橹凶游磶щ姾?，所以它們可以穿透進(jìn)靶內(nèi)的程度遠(yuǎn)比質(zhì)子深得多。
在做過僅僅兩周的實(shí)驗(yàn)后，查德威克于 1932年 2 月發(fā)表了一篇論文，標(biāo)題為《中子可能存在》。在論文中他指出，實(shí)驗(yàn)的證據(jù)顯示這個(gè)神秘射線的正確解釋應(yīng)該是中子，而不是γ射線光子。幾個(gè)月后，在 1932 年 5 月，查德威克又送出了更確定的論文，標(biāo)題為《中子的存在》。
到了 1934 年，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的中子是一個(gè)基本粒子的事實(shí)已得到了確認(rèn)，它并非如盧瑟福原先所提出的是由質(zhì)子和電子的結(jié)合而成。
中子的發(fā)現(xiàn)很快地改變了科學(xué)家對(duì)原子的看法，而查德威克也因此發(fā)現(xiàn)于 1935 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)?？茖W(xué)家很快地又知道這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的中子是個(gè)不帶電，但相當(dāng)重的粒子，可用來偵測其他的原子核。之后沒多久，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)以中子撞擊鈾會(huì)導(dǎo)致鈾原子核的分裂，而放射出巨大的能量，可用以制造核武器。查德威克發(fā)現(xiàn)了中子為原子彈鋪了路，他并實(shí)際參與第二次世界大戰(zhàn)期間的曼哈頓計(jì)劃。他于 1974 年逝世。
（本文轉(zhuǎn)載自 2010 年 6 月《物理雙月刊》，網(wǎng)址 ： http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php;蕭如珀，自由業(yè)；楊信男，臺(tái)灣大學(xué)物理系，Email:snyang@phys.ntu.edu.tw）
來源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》第22卷第3期
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