追寻物理本质：中子的发现与核能利用

中子的发现

开创核能利用的新时代

原子是由带正电荷的原子核和围绕原子核运转的带负电荷的电子构成。原子的质量几乎全部集中在原子核上。起初，人们认为原子核的质量应该等于它含有的带正电荷的质子数。可是，一些科学家在研究中发现，原子核的正电荷数与它的质量居然不相等。也就是说，原子核除去含有带正电荷的质子外，还应该含有其他的粒子。那么，那种“其他的粒子”是什么呢？解决这一物理难题、发现那种“其他的粒子”是“中子”的，就是著名的英国物理学家詹姆斯·查德威克。

查德威克发现中子的实验仪器

查德威克发现中子的5年前，科学家玻特和贝克用α粒子轰击铍时，发现有一种穿透力很强的射线，他们以为是γ射线，未加理会。韦伯斯特甚至对这种辐射做过仔细鉴定、看到了它的中性性质，但对这种现象难于解释，因而未再继续深入研究。居里夫人的女儿艾伦娜·居里和她的丈夫也曾在“铍射线”的边缘徘徊，最终还是与中子失之交臂。查德威克1891年出生在英国柴郡，曼彻斯特维多利亚大学毕业。中学时代并未显现出过人天赋。他沉默寡言，成绩平平，但坚持自己的信条：会做则必须做对，一丝不苟；不会做又没弄懂，绝不下笔。因此他有时不能按期完成物理作业。而正是他这种不骛虚荣、实事求是、“驽马十驾，功在不舍”的精神，使他在科学研究事业中受益一生。进入大学的查德威克，迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面崭露超群才华。他被著名科学家卢瑟福看中，毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室，在卢瑟福指导下从事放射性研究。两年后，由于他的“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实验，获英国国家奖学金。正当他的科研事业初露曙光之际，第一次世界大战把他投入了平民俘虏营，直到战争结束，他才获得自由，重返科研岗位。1923年，他因原子核带电量的测量和研究取得出色成果，被提升为剑桥大学卡文迪许实验室副主任，与主任卢瑟福共同从事粒子研究。1931年，约里奥·居里夫妇——居里夫人的女儿和女婿公布了他们关于石蜡在“铍射线”照射下产生大量质子的新发现。查德威克立刻意识到，这种射线很可能就是由中性粒子组成的，这种中性粒子就是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜的钥匙！查德威克立刻着手研究约里奥·居里夫妇做过的实验，用云室测定这种粒子的质量，结果发现，这种粒子的质量和质子一样，而且不带电荷。他称这种粒子为“中子”。中子就这样被他发现了。他解决了理论物理学家在原子研究中遇到的难题，完成了原子物理研究上的一项突破性进展。后来，意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核，发现了核裂变和裂变中的链式反应，开创了人类利用原子能的新时代。查德威克因发现中子的杰出贡献，获得1935年诺贝尔物理学奖。

查德威克(www.xing528.com)

中子的发现既从实验方面导致了中子核反应、核裂变等现象的研究、导致了核能利用的新时代，同时又从理论上导致了核结构与核力的研究并且解释了为什么许多化学元素会有不同原子质量的许多“同位素”存在。由此逐渐建立与发展了中子物理学这一分支。中子是研究核反应很好的轰击粒子，由于它不带电，即使能量很低，也能引起核反应。中子还在核裂变反应中起重要作用。电中性的中子不能产生直接的电离作用，无法直接探测，只能通过它与核反应的次级效应来探测。1930年发现用α粒子轰击铍时会产生一种看不见的贯穿能力很强的不带电粒子，查德威克进一步研究证明了这种粒子质量与质子相差不多的不带电粒子是卢瑟福曾经预见的中子。中子是构成物质原子核的基本粒子之一，它的质量与质子相同。中子不带电，从原子核分裂出来的中子很容易进入原子核，人们利用中子的这个特性，用它轰击原子核来引出核子反应。这就是中子弹。中子弹爆炸时释放大量的高能中子，是以高能中子辐射为主要杀伤的小型氢弹。我们知道，每一种武器都具有核辐射、冲击波、光辐射等杀伤力，中子弹也有核武器的这些特性，但是中子弹的杀伤特性主要不是在这些方面，中子弹主要是靠中子的辐射起到杀伤作用，它可以在有效的范围内杀伤坦克装甲车辆或建筑内的人员。如果有一个100吨TNT（即黄色炸药）当量的中子弹，在距离爆炸中心800米的核辐射剂量是同等当量的裂变核武器的几十倍，但是它爆炸时产生的冲击波对建筑物的破坏半径只有300～400米。也就是说，如果有一枚千吨级当量的中子弹在战场上爆炸，那么800米范围内的人员会被杀伤，被杀伤的人员并不是马上死去，而是慢慢地非常痛苦地死去，受伤者最长可以拖过7天的时间。在中子弹爆炸的300米范围之外的建筑和设施，可以毫发不损，可是建筑物中的人员却不能幸免于难。中子弹的这种特性，很适合在战场上作为战术核武器使用。

中子弹爆炸

中子核反应是指中子同原子核相互作用引起的核反应。中子的重要特征是不带电，不存在库仑势垒的阻挡，这就使得几乎任何能量的中子同任何核素都能发生反应，在实际应用中，低能中子的反应起更重要的作用。中子核反应在研究核结构和核反应机制及核能利用中占重要地位。

查德威克生平

查德威克，英国实验物理学家，1891年生于英国柴郡，1911年以成绩优异毕业于曼彻斯特维多利亚大学，随即留校在卢瑟福指导下进行放射性研究并取得硕士学位。1913年到德国柏林在盖革指引下继续研究放射性。第一次世界大战开始后作为“敌侨”被关入德国战俘营，在这里他仍在继续研究“在光照射下光气的生成”等物理实验。1919年，入英国剑桥大学从事a粒子人工轰击各种元素的试验。1935～1948任利物浦大学教授。1939～1943年参加英国及美国“曼哈顿”工程原子弹研究，获得多种荣誉。1935年获诺贝尔物理学奖。1974年7月24日逝世。