中子的发现

中子的发现

第一件事是中子的发现。关于这，还有着一段复杂而又具戏剧性的历史。与诸如X射线的许多其它发现不同，中子的发现花了两年的时间，而那些发现只发生在一个晚上。它甚至于还有一个重要的前期发展阶段。卢瑟福曾再三考虑过可能存在一种质量与质子差不多的中性粒子。他把它设想为一个电子落入核内而将核电荷中和了的氢原子。卢瑟福对这样一种假想粒子行为的推测，在1920年他的贝克讲座里就表述了出来。正如我们已经看到的那样，这使得“这样一种粒子可能存在”的这一想法始终活跃在他学生们的脑海中。

W玻特（图9.1）和他的学生H.贝克（H.Becker）在1928年用钋-α粒子（图9.2）轰击铍靶，向中子的实际发现迈出了第一步。他们的目的在于进一步证实卢瑟福所观察到的蜕变，弄清它们是否伴有高能γ射线的发射。使用电测计数法，他们发现了一种有穿透性的辐射。这种辐射，他们把它解释为γ射线。为了估计这种射线的能量，他们设法测量了它的吸收系数。继而他们又观察了锂和硼的情况，并得到一个结论，所观察到的γ射线具有的能量比入射的α粒子的能量还要大。这个能量必定来自核蜕变。这项研究持续了几年。

沃尔塞·玻特（1892～1957）生于柏林附近的奥拉宁堡，是普朗克为数不多的几个学生之一。他是在柏林国家研究所盖革手下开始他的科学生涯的。但在第一次世界大战中他被俄国人俘虏，遣送到西伯利亚。在那里，他研究了数学和一些理论性的课题，并与一位俄国女子结了婚。战争结束，他重又回到国家研究所原先的位置上，研制了电测计数法。特别是，他是用一电路来替代卢瑟福和盖革的吃力地用眼睛作闪烁计数的第一个人。这就大大增强了这种方法的功能。这种信号符合法稍后被他和他的合作者们：科尔霍斯脱（Kohlhoerster）、罗西（Rossi）以及其他人应用到核物理、宇宙射线和研究康普顿效应等方面的许多问题上。玻特是一位第一流的物理学家——一位真正的物理学家的物理学家。他在物理学家中比在一般大众中更为闻名。他的才能扩展到了艺术领域，会弹钢琴，也会画画，而且能达到专业者的水平。他纵然有一些难以与人相处的个性，但他渊博的知识和科学上的完整性博得了物理学界的很大尊敬。

1931年前后，两位十分重要的新科学家，伊雷娜·居里（Irène Curie）和她的丈夫弗里德里克·约里奥（图9.3）登上了科学舞台。伊雷娜·居里是居里夫妇的女儿，在品质和体格两方面很象她母亲；她是由她母亲精心抚养长大的（居里死时她才九岁）。玛丽与一群物理学家和知识分子为他们的孩子们建立了一所小学。在这所小学里，由孩子们的爸爸或妈妈教课。当然，玛丽是科学方面的教师啰！在第一次世界大战期间，玛丽组织了放射性治疗服务队，服务于法国军队。她让伊雷娜当她的助手。由于受她的影响，加上所受的那种教育，伊雷娜转向科学是并不奇怪的，自然是在她母亲的实验室里。

弗里德里克·约里奥主要是由于他卓越的技术才能，是由居里夫人的老朋友朗之万推荐给她的。他的首批任务之一是制备一个极强的钋源，之后是建立一个云室。约里奥（图9.4）出色地完成了这两项任务，而且在1927年与他上司的女儿伊雷娜结了婚。新的一代就是这样很好地准备着接前人们的班的。约里奥是一位快乐、充满生气、真诚而富于想象力的人。他使我想起莫里斯·薛瓦利埃（Manrice chevalier），虽然我对约里奥只稍有一点了解，而对薛瓦利埃只仅仅限于在银幕上。

约里奥-居里夫妇俩全部的重大发现是在二次大战前完成的。在法国沦陷后，约里奥投入了抵抗运动。从1941年到1945年他任国家解放阵线的秘密主席。战后他成了原子能的高级专员。但是，他的政治观点倾向于极左。这使他在法国政府的眼里觉得不适合于这种工作。于是，他被免职了。但他仍然是国际共产主义运动的主要代表人物之一，也是奥尔塞新科学实验室主任。伊雷娜在一段短时期内担任了法兰西内阁的科研部长。夫妇俩死时都还年轻，这可能是与他们对待放射性物质和辐射有点漫不经心，因而受害于放射性有关。

约里奥决定用他们的超强钋祥品来研究玻特的穿透辐射。1932年1月18日，他们报告了一项意想不到的重大的观察结果。这种辐射能使石蜡层放出质子。他们用一个与静电计相连的电离室发现了这一事实，结果十分奇特，以致他们立即想到用云室来确认它们。2月22日他们发表了第二次观察的结果，证实了这是种质子注（图9.5，9.6）。玻特的穿透性γ射线竟然发射质子！这件事为什么那么不可思议呢？由轰击质子引起自由粒子射出是著名的电子康普顿效应的一种形式。然而，在一般的康普顿效应中，反冲电子很轻（mc2=0.51MeV），容易被反冲，但是质子的质量是电子质量的1836倍，并不那么容易被反冲。如果一颗弹子撞击另一颗弹子，这是容易发生反冲的，但是如果一辆汽车被一颗弹子撞击，它就不会有明显的移动了。

在约里奥-居里夫妇企图把他们观察到的事实解释为一种康普顿效应时，考虑到两个方面：入射的“γ射线”必须应具备的能量和关于它们的碰撞截面，为此他们作出了一种令人难以置信的假设。这种截面约为根据对电子成立的计算作简单推广的预计值的三百万倍。詹姆斯·查德威克（1891～1974）把约里奥-居里夫妇1月18日的报告内容告诉了卢瑟福。当这位爵爷听了他们提出的解释后，显得少有的激动，并说：“我不信。”罗马的一位年轻物理学家埃托里·马约拉纳（Ettore Majorana）读了同一篇报告后，以他特有的嘲讽神气说：“真傻！他们已经发现了中性质子，却不认识它！”在卡文迪许实验室的查德威克则做了更多的工作。他重复了这些实验，用钋加铍作为源，不仅用氢，而且还用氦及氮（图9.7，9.8）与入射辐射碰撞。通过比较这些反冲，他证实：这类辐射中含有一种质量近似等于质子质量的中性物质成分。他把它称为中子，并于1932年2月17日写了封信寄给《自然》杂志，发表了这一结果。就这样，一项重大发现在约里奥-居里夫妇手中溜走了。

查德威克迅速成功的原因之一是，他对中子的概念有精神上的准备。在此之前，他曾作过几种产生中子的尝试，例如：用强放电或通过其它方法产生中子。在关于发现中子的一篇论文中，他说：“其中有些实验是很荒唐的。”值得大加赞扬的是；当中子没有出现时他没去探测它，而在中子最终出现时，他立即清楚而令人信服地发现了它。这些就是一位杰出的实验物理学家的标志。

据传，卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克，说是他完全应得到它。有人对卢瑟福提出：约里奥夫妇对此也作出了必不可少的贡献！据说，卢瑟福回答道：“发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克，至于约里奥夫妇嘛；他们是那样聪明，不久会因别的项目而得奖的。”

中子的发现对核物理有着巨大而深远的影响。直至1930年，人们已经接受了原子核是由电子和质子组成的这种假设（如本章开头的柯宾诺演讲中所说）。这种假设看起来似乎有道理，因为在β衰变过程中，我们看到从核发射出电子来，质子是已知核中最轻的一个。而且，核的质量近似于质子质量的整数倍。按照这个假设，质量为14的氮原子核应含有14个质子和7个电子，这样才得出氮原子有14个质子质量，而7个电子中和了它们中的7份电荷。与质子质量相比，电子质量是略而不计的，人们也必须按照爱因斯坦方程E=mc2考虑结合能。然而，这种假设面临着许多严重的困难。首先，测不准原理要求一个大量值的势垒把轻如电子那样的粒子限制在核大小的体积之内，人们不知道什么样的力能产生这一势垒。更糟糕的是，在物理学的另一个完全不同的领域，分子光谱学中的某些实验已经毫无疑问地揭示了氮原子核必须含有偶数的费米子。质子和电子是费米子。它们在氮原子核中的数量，按照电子-质子结构，应是21，奇数。这样就出现了明显的矛盾。这种难题，以及与自旋有关的其它问题，采用假设核是由中子和质子（质子和中子都是费米子）组成就立即可全部解决。根据这种理论，质量为14的氮原子核含有7个中子和7个质子，费米子个数为偶数。这一假设是由苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡各自独立提出的。马约拉纳得到了同样的结论，但是他并未发表他的这一看法。

建立在中子-质子组成基础上的原子核模型现在已经被普遍接受了，看来已扎下了根。为了获得对这一模型的全面了解，怀着从中导出所有核性质的最终希望，研究质子-质子、质子-中子以及中子-中子之间的相互作用是十分重要的。尽管有了一些重大意义的部分成就，这个雄心勃勃的计划至今尚未获得完全成功。三十年代开始经过许多年的逐步扩大、深化的实验，已经证实了在中子和中子、质子和质子，以及质子和中子之间特有的核力是同样性质的力。海森堡，E.U.康登，尤金·维格纳以及其他一些人对这一事实作了理论表述：将中子和质子考虑为由于内坐标值的不同而呈现两种不同量子态的同样的粒子（即核子）。这完全与对一磁场决定的方向平行或反平行的自旋电子相类似。核子的这种内坐标，因为与自旋类似，故称作为同位旋，常用符号T来表示。同位旋的概念不能在普通空间里考虑，而是在特殊的抽象空间里的东西。数学上，它具有量子力学的性质，如对易法则，与角动量相同。在其自身的空间中，它是一个具有三个分量的矢量。第三分量由下述方程与电荷联系起来：

其中Q是电荷（对于质子，它为1），N是系统所含的核子数，S是奇异数。关于S我们将在后面提及它。对核子来说，S=0。这样，中子的发现，排除了许多难以解决的困难，打开了一条了解原子核的新途径。但是，这还不能用以解决困扰着核物理的另一个基本问题，即β衰变。关于这个问题，我们也将在后面叙述。