[其它杂谈]核能史话  中子的发现 [第18页]

第三章：核世界奥秘的探索

3、中子的发现

    卢瑟福在首次人工核反应中找到质子以后，在1920年对原子核内部结构提出—个更大胆的设想。他认为原子核内至少存在着质子和电子两种亚原子粒子，它们聚集在原子核内十分狭小的范围里，单个质子和电子成对地紧抱在一起，形成一个个组合粒子。

    这虽然能解释原子核内部并非只是由质子单独构成的事实，但仍无法说明由质子来组成原子核的全部质量。例如，氦原子核有两倍于质子的电荷和四倍于质子的质量。如果认为氦核的质量是由4个质子所组成，那末电荷数就相差2，人们不禁要问多余的电荷哪里去了？显然，若能在原子核里放进两个电子，和多余的电荷平衡，那么电荷数和质量数就能自圆其说了。

    由于当时还没有发现过不带电荷的亚原子粒子，故就无法用核内存在不带电荷只有质量的粒子进行揭示。然而，这种只有质量不带电荷的粒子，它们在核内的作用却很像被放在船底的“压舱物”，起着稳定原子核的作用。科学家们为了能彻底揭开核世界结构的奥秘，就要想法早日找到这种不带电荷的中性粒子。

    当时，从事这方面研究工作的主要有德、法、英三国，它们对中子的发现分别作出了非常有益的贡献。

    1930年，德国物理学家博特等人，利用天然放射性元素钋所发射的α粒子，去轰击—种银白色的轻金属元素铍。结果博特在实验中发现了一些非常有趣的现象，即当用α粒子轰击铍、锂、硼时，都产生了一种能使计数管放电的射线，而放电次数和靶核有关，其中铍靶的放电次数最多。一旦α粒子停止轰击，放电现象也就停止。如果在射线经过的路途上放置各种不同的物质，则发现这种射线能贯穿几厘米厚的铅。根据当时已知射线的性质，只有γ射线能有穿透包括铅在内的各种物质的本领。为此，博特他们断定α粒子轰击铍时，所发射的能使计数管放电的射线也是一种γ射线。

    然而，从能量平衡的观点上看，很快就发现了矛盾，于是人们对这些“γ射线”产生了怀疑。那是在1932年，法国有一对物理学家夫妇弗雷德里克·约里奥·居里和伊伦·约里奥·居里，当时他们都在他们母亲居里夫人所主持的巴黎镭学院的放射性实验室里做研究工作。他们重复了博特的用α粒子轰击铍核的实验，并用一种对γ射线和带电粒子都灵敏的探测器进行测量。另外，除了仍用铅作过滤物质外，又采用水、石蜡等含氢物质充入探测器中。结果发现这样的探测器对所发射的“γ射线”的探测效率提高很多，电离电流几乎增加一倍。

    这样，他们认为，高能量的“γ射线”同含氢物质中的氢核作用时，能把能量传递给氢核，而氢核被激发后就像质子那样独立地运动。我们已知质子的电离本领要比γ射线强的多，所以电离室的电离电流增加很多。

    紧接着，约里奥·居里夫妇又用一种含有氢气的威尔逊云室对质子进行直接观测。结果他们清晰地看到了“γ射线”同氢核作用所产生的质子在云室中所形成的径迹。而且径迹的起始点不是从被撞击的铍核开始，而是在云室的各个角落同时发生。他们根据这种质子在空气中的射程(为26厘米)，可换算得它的能量为5.7兆电子伏。再通过质子和“γ射线”的能量关系，可算得这些神秘的“γ射线”的能量是出乎意外的大，约为55兆电子伏。这就和用“γ射线”的穿透本领所算得能量为5兆电子伏相矛盾，对于同一种“γ射线”两者相差实在太大了。

    这个矛盾更无法用能量守恒进行解释，已知钋所发射的α粒子能量只有5.3兆电子伏，那么所产生的“γ射线”的巨大能量是从哪里来的？因此，这种根据穿透本领推测的“γ射线”实际上是难以成立的。可惜的是约里奥·居里夫妇未能紧紧抓住这个重大矛盾的线索进行跟踪追击，他们虽已到了发现“中子”的门槛，但仍错失良机未能往前再迈进一步。

    后来，当英国物理学家詹姆斯·查德威克1932年正式宣告发现中子后25年，也就是1957年，论及约里奥·居里夫妇对科学事业的贡献时，曾特别提到他们夫妇俩的实验确是一个“供给发现中子线索的非常奇妙的效应”。

    查德威克在他发现中子以前已是一位才华横溢的著名物理学家，他曾在卢瑟福所主持的卡文迪许实验室进行过多年有关α粒子和γ射线等放射性研究工作，他一直是卢瑟福的得力助手。即使在第一次世界大战地间，他和其他的德国囚犯被拘禁在鲁勒本时，仍然和大家—起就地建造了一间小小的实验室，专心致力于β射线的研究。

    从一战后到1923年，查德威克一直担任卡文迪许放射性研究工作的助理指导，并参与了卢瑟福在1919年所作的第—次人工核反应的研究工作。通过这一系列的实验工作，他清楚地意识到，当用带2个正电荷的α粒子轰击原子核时，将会遭到强大的静电斥力。为此，他早在1923年就写信告诉卢瑟福说：“我本人认为我们必须对不带电荷的中子做一次真正的研究，现在我已经有了一个迫切的工作计划，但还是应该事前和阿斯顿商量”。从这里人们不难看出，早在他发现中子前十年，已为中子的发现作出了周密计划，所以查德威克作为中子的第—个发现者确是当之无愧的。

    至于查德威克用来发现中子的实验装置也是十分简单的。查德威克对实验中所产生的“射线”进行了仔细观察。结果发现它们和已知的γ射线和X射线一样，也不会被磁场偏转，这就证明组成它们的确是一些中性粒子。然而它们的行进速率却是太慢了，仅是光速的十分之一左右，而通常γ射线的行进速率是和光速相近的。所以它们不可能是属于γ射线。

    另外，查德威克把这些“射线”同氮气、氦气、锂、铍和硼等发生作用，对它们的性质作更进一步研究。结果在实验过程中找到了这些元素的反冲核，并根据氮和锂的反冲核射程推算得“射线”的能量分别为90和150兆电子伏，这比前面约里奥·居里夫妇算得的能量还要大很多。由此可知，问样是α粒子同铍核反应产生的“射线”，如果认为是“γ射线”，则实验所得的能量值很不一致。

    就这样，查德威克用类似的实验证明原来认为是“γ射线”的概念是不符合客观实际的。另外，查德威克根据首次人工核反应中α粒子能从氮核中辐射出质子这一事实，认为任何能从原子核中打击质子的辐射，必须是由一些本身就应该相当于质子那么重的粒子所构成。

    最后，查德威克把α粒子轰击铍核所产生的“射线”，看成是一种不带电的中性粒子流，它的质量数和质子相当，并具有很强的穿透本领。而在威尔逊云室内证明它不能直接产生电离作用，所以它基本上不带电荷，以至于就等于零。至此，查德威克就把曾被哈金斯用过的名称“中子”来称呼它，这也是他在十年以前曾经设想过的工作计划中提到过的名称。

    后来，当他把自己的发现写信给《自然》科学杂志发表的，曾在信中更明确地指出：“如果我们假设这种放射性辐射是由质量数为l，电荷数为“0”的粒子，即中子所构成的，那么一切难题都可迎刃而解了。”

    到了1934年，查德威克通过实验又弄清了中子要比质子重的事实。根据现代精确测定质子的质量为1.007825原子质量单位，而中子的质量为1.008665原子质量单位。中子作为一种新发现的亚原子粒子，它和质子、电子一样能够独立存在。孤立的中子放出一个电子后，就衰变成质子。而中子的寿命大约在10.6分钟内将有一半被衰变成质子。中子的发现，使核科学的发展进入了一个崭新的时代。为此，查德威克荣获1935年度诺贝尔物理奖。

    实验证明，除了铍核在α粒子轰击下能发射中子外，硼、锂核在α粒子轰击下也能放射中子。由此可知，中子确是组成原子核的又一个重要粒子。这样一来，科学家们就能顺利地摆脱当时有关原子核结构上某些假设的困境。

    其中德国物理学家海森伯格首先提出了原子核是由质子和中子所构成的学说。根据这一学说，就能容易地解释周期表上各种元素的原子核构造。我们从门捷列夫元素周期表上可以看到，在由中子和质子组成的所有稳定核中，只有氢核是由单个质子组成；而在氦3同位素中有两个质子和一个中子；而其余稳定元素的核中，中子数至少和质子数相等，例如氦4、碳12、氮14和氧16等。然而更多的核中，中子数都大于质子数，例如铁56、铜64、金197等。

    另外，我们知道由于物质的质量绝大部分都集中在它的原子核上，而原子核中中子的质量数占一半以上，所以宇宙中的全部物质大约有一半以上的质量是属于中子的。

    由于中子不带电荷，所以当它深入到原子内部时，既不会被电子阻拦，也不会受到核电荷的静电斥力的排斥。这样中子就能在原子内部畅通无阻，很可能被某个原子核俘获，产生那些用质子或α粒子轰击时所不能发生的核反应。因此中子发现后，物理学家们就能获得一种命中率高的轰击粒子，它被有效地用作为轰击各种原子核的炮弹，从而成为科学家们进行核科学研究的重要工具。