关于发现中子的实验
在物理学史上，中子的发现经历了一个曲折而戏剧性的认知过程。它曾与著名实验物理学家伊奥里奥·居里擦肩而过，给这对夫妇带来了很多遗憾。今天，重温这段历史仍然给我们很多启发。
中子的发现与人们对原子核结构的探索是分不开的。
1.质子的发现与原子核的质子电子模型假说
1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核结构模型。这个模型得到了玻尔的支持和发展，并很快得到了物理学家的认可。从此，一系列问题摆在物理学家面前:原子核是由什么组成的？细胞核还有结构吗，还能再分吗？
1919年，卢瑟福做了用镭放出的α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子，第一次实现了原子核的人工演化。当时人们意识到基本粒子只有质子、电子和光子，于是在20世纪20年代，人们普遍认为原子核是由质子和电子组成的，并假设一个原子量为n、原子序数为z的原子核应该是由n个质子和n-z个电子组成，进而与z个轨道电子形成中性原子，这就是原子核的“质子-电子”模型。然而，这一假设遇到了一些困难。难点之一:电子在原子核中是什么状态。在“质子-电子”模型中，电子以个体的方式存在于原子核中。当N=238时，原子核的半径估计为8.7厘米，而电子的经典半径为2.8厘米。电子作为个体的一部分，和整个原子核几乎是一样的！这是不可想象的；第二个难点:根据海森堡1927提出的测不准原理，如果一个电子被限制在一个非常小的原子核内，它的动量将是非常不确定的，因此它不能在原子核内停留超过几分之一秒；第三个难点:与量子力学中的多体统计和自旋理论相矛盾。1925年，乌伦贝克和古德施密特提出电子具有自旋，它的量子数等于1/2，质子的量子数也等于1/2。所以，对于一个氮原子核，因为它有14个质子和7个电子，所以这些粒子的总自旋数应该是分数。然而实验表明。对于后两个难点，很多著名物理学家怀疑量子力学不适用于原子核内部，毫无疑问“质子-电子”模型本身就有问题。
2.卢瑟福关于“中子”的预言
在“质子-电子”模型的最后两个难点没有出现的时候，卢瑟福指出(1920)如果把一个质子和一个电子看成一个复合体和一个粒子，理论上的矛盾就可以解决了，这个“质子-电子”复合体应该是电中性的。他预言:“在一定条件下，一个电子可能与氢核结合得更紧密，从而形成一个中性偶极子。这种原子将具有非常不寻常的性质。它的外部电场实际上将等于零，除非它非常接近它的核心。因此，它可以自由地穿过物质。用分光镜可能很难检测出它的特性，也不可能保存在密闭的容器里。另一方面，它应该很容易进入原子结构，或与原子核结合或被原子核的强场分裂。”卢瑟福声称:“这种原子的存在似乎对解释重元素原子核的组成至关重要”。20世纪20年代初，卡文迪什实验室的研究人员试图通过在氢放电管中通入强电流来检测这种假设的“中子”的形成，但没有成功。
3.伯特铍辐射实验
1930年，德国物理学家Bert (W.W.G. Bothe，1891 ~ 1957)和H.Becker用α粒子轰击轻元素，特别是铍，发现铍发出一种强度低但穿透力强的射线。这种辐射在电场和磁场中都不会偏转(因此不带电)。穿透2厘米厚的铅板后，辐射强度仅降低13%。当时，这种辐射被称为铍辐射。根据当时发现的各种辐射的研究，无论是α射线还是β射线都没有这么强的穿透力。唯一能穿透铅板且不带电的是伽马射线，于是两位物理学家误以为发现了高能伽马射线。根据这种射线通过铅板后强度减弱的事实，他们计算出这种射线的能量约为10 MeV。
4.居里的铍辐射轰击石蜡实验。
1932年，Iorio Curie夫妇重复了Bert的铍辐射实验。他们的实验条件非常好，有很强的辐射源，所以很容易得到和伯特一样的结果。为了测量物质对铍辐射的吸收，他们把各种物质放在铍板和辐射计之间。没想到的是，发现在铍辐射的路径上放置石蜡时，辐射计记录到的粒子数不仅没有减少，反而比不放石蜡时多了很多。经过鉴定，他们发现质子是从石蜡中飞出的。这表明铍辐射已经从石蜡中产生了质子。根据质子的速度，他们计算出这种射线的能量为50兆电子伏，与上述的10兆电子伏相差甚远。然而，伊奥里奥·居里和他的妻子仍然沿着伯特的错误思路思考，他们将这一现象解释为光子同质子的康普顿散射。1932 65438+10月18，伊奥里奥和居里发表了他们的实验结果和评论。由于对理论的蔑视，他们白白失去了一次发现中子的机会。
5.查德威克发现了中子。
伊奥里奥和居里的论文传到了英国，英国物理学家查德威克看了他们的论文，把论文的内容告诉了卢瑟福。据说卢瑟福听到他们的解释时大喊“我不相信”，查德威克也不相信这个解释。经过一番思考，他马上意识到，能量如此之大的反冲质子绝不可能是光子碰撞的结果，而很可能是卢瑟福十年前预言的“中性粒子”碰撞的结果。他用钋和铍作为放射源，用这种新射线轰击氢、氦、氮等元素。结果发现这种射线的性质与普通射线不同。通常，当射线照射到一种物质上时，该物质的密度越大，它吸收的就越多。这种射线的性质正好相反，密度越小的物质越容易被吸收。查德威克用这种射线轰击氢原子时，发现氢核被喷射出来，这说明这种射线是具有一定质量的粒子流。因为这个粒子流是不带电的，电场和磁场对它没有影响，所以不能通过它在磁场或电场中的轨迹来计算它的质量。查德威克认为，当这种粒子穿过一种物质时，会与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而将能量传递给原子核，使被碰撞的原子核发生运动，并测量被触碰的原子核的速度，这样就可以根据动量和能量守恒计算出这种粒子的质量。通过轰击氢原子和氮原子，他计算出这种粒子的质量几乎等于质子的质量，他把这种射线的粒子称为“中子”
6.中子发现的意义
中子的发现对核物理的发展产生了重大而深远的影响。中子是一种全新的粒子。它的发现使建立没有电子参与的核模型成为可能，也解决了量子力学是否适用于原子核内部的问题。中子发现后不久，著名物理学家海森堡发表论文指出量子力学也适用于原子核内部，并指出原子核是由质子和中子组成的。由于中子不带电，它与原子核之间没有库仑斥力，可以到达所有的原子核，成为推动原子核演化的最有效工具；中子的发现也带动了核力的研究，促进了粒子物理学的发展。
7.一些启示
“中子”这个概念最早是卢瑟福为了解决理论面临的困难而提出的，后来在实验中被发现。查德威克成功的原因之一是他思考了中子的概念。在此之前，他曾试图用强放电或其他方法产生中子，但都失败了，所以当它们出现时，他能立即清晰而令人信服地找到它们。而八神庵的居里夫妇，因为没有这样的心理准备，中子显然出现在他们的实验中，但他们并不知道。正如伊奥里奥所说，“如果我和我丈夫听了卢瑟福的贝克利演讲，我们就不会让查德威克捷足先登。”这也反映了在科研中学术思想的交流是多么的必要。