查德威克

简介

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（按照卢瑟福和玻尔的原子模型理论）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（James Chadwick, 1891～1974）。　　就在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”。

物理学影响

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。

相关实验

1914年，他就首先发现?射线具有连续能谱。1920年，他通过铂、银、铜核与粒子的散射直接测出了原子核的电荷，从而证实了卢瑟福的原子理论。1921～1924年，他协助卢瑟福做了大量实验：从硼到钾的粒子轰击试验。证明除C与O外，其他元素的核俘获一个α粒子后都能放出一个质子并转变为一个一号元素。查德威克的最大贡献是发现中子。当时，人们正在研究金属假在α粒子轰击下产生的贯穿性极强的次级辐射，以为这，是一种硬y射线。例如约里奥－居里夫妇用抢种次级辐射去轰击石蜡，打出的竟是能量约为5MeV的质子。按照康普顿散射公式计算，入射的次级辐射流（他们以为是y光子）能量至少要有50MeV。查德威克打破了前人的思路，根据卢瑟福1920年提出的原子中可能存在中性粒子的假设，轻易地解释了约里奥一居里的实验，即被次级辐射是能量为5MeV的中子。他还把实验的轰击对象由石蜡推广到氢、氦、氮、氢等气体，并计算出从这些气体打出的反冲核的能量，与实验数据符合得很好。1932年，他在《皇家学会学报》上以《中子的存在》为题写成了论文。　　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克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。