通识物理：中子的发现

19世纪中后期，在科学家们的努力下，除了原子核仍然未知，原子模型已经几近完善。所以，了解原子核的构成，就成为当时物理学研究的重要主题之一。

1919年，卢瑟福领导的团队在发现原子核后，又发现了原子核中的质子，并随后确定了质子的质量。可是，人们很快发现，原子核中的质子总质量始终小于原子核质量，尤其巧合的是，质子的总质量刚好是原子核质量的一半，这个结果说明：原子核中一定还存在其他的未知粒子，但这种神秘的核内粒子究竟是什么呢？

图9.9　波特和小居里夫妇先后发现“神秘粒子”

1896年，重大发现的机遇来临了，如图9.9所示，德国物理学家波特（普朗克的学生）用α 粒子轰击金属铍，得到了一种穿透力很强且不带电的射线，他误以为这是γ 射线。为了研究这种射线的粒子轰击效果，小居里夫妇（约里奥·居里和伊琳·居里）则用这种射线从石蜡中打出了质子，但他们也认为这种特别硬（波长特别短）的粒子是γ 射线。这真是相当的遗憾，因为根据动量守恒定理，γ 射线的动量根本不足以打出质子，但是小居里夫妇却忽视了这个事实。不过，在小居里夫妇通过论文公布了相关实验结果后，剑桥大学卡文迪许实验室的年轻人查德威克却惊喜万分。英国人查德威克是物理大咖卢瑟福的学生，他不仅具有较高的理论水平而且物理思想特别活跃。在比较早的时候，查德威克就根据元素相对原子质量和原子序数的差值猜测：原子核中应该含有一种质量与质子相近但不带电的粒子，不过他却从来没有找到过这种粒子。正因为有充分的思想准备，查德威克一看到小居里夫妇的论文就敏锐地想道：“这就是那种质量与质子相同，但却不带电的粒子，他们看见了中子还不知道！”于是，查德威克马上设计了一个类似的实验，果然发现了同样的射线，他立刻写了一篇短文投给《自然》杂志，题目是“中子可能存在”；接着他又在《英国皇家学会会报》上发表了一篇长文《中子的存在》，详细报告了自己的工作和发现。1935年，查德威克因为中子的发现而获得了诺贝尔物理学奖。如图9.10 所示，“机遇只钟爱有准备的头脑”，小居里夫妇和波特由于对发现中子没有充分的思想准备而让这一重大成果从自己手中滑过，这让他们十分懊恼。不过，他们并没有灰心，而是继续努力。就在当年的下半年，由于在人工放射性方面的重大发现，小居里夫妇终于获得了1935年的诺贝尔化学奖，这是居里家族第三次获得这一科学界的最高荣誉。而波特则于1954年因在宇宙射线方面的成就而获得诺贝尔物理学奖，这真是一个圆满的大结局！(www.xing528.com)

图9.10　查德威克的“小幸运”与小居里夫妇、波特的“大遗憾”

中子的发现使人们首次认识到：原子是由质子、中子和电子构成的，其中质子和中子共同构成了原子核，而质子和中子的数目体现了原子的差异，电子则在不同的量子轨道上绕原子核旋转。中子的发现使原子模型的探索完成了最后一块拼图，人们对原子结构的理解也由此逐渐趋于完美。