中子的发现.doc

发现背景1920年，卢瑟福就在著名的贝克尔演讲（Bakerian Lecture）中做出中子存在的理论预言。为了检验卢瑟福的假说，卡文迪什实验室从1921年就开始了实验工作。图13.1 卢瑟福正在演讲卢瑟福曾请格拉森（J.L.Glasson）在氢气中放电时寻找中子的产生，不久，罗伯兹（J.K.Roberts）也做了类似的实验。1923年查德威克得到卢瑟福的赞同，用游离室和点计数器作为检测手段,尝试在大质量的氢化材料中检测辐射的发射。在初步作了这些尝试之后，查德威克考虑到中子只有在强电场中形成的可能性，但没有合适的变压器可用。正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究时，柏林的玻特（.Bothe）和巴黎的约里奥-居里夫妇（Joliot-Curies）相继发表了他们的实验结果。玻特是德国著名物理学家，曾在盖革的研究所里工作。从1928年起，玻特和他的学生贝克尔（H.Becker）用钋发射的粒子轰击一系列轻元素，发现粒子轰击铍时，会使铍发射穿透能力极强的中性射线，强度比其它元素所得要大过十倍。用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比射线还要硬。1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的射线。在巴黎， 居里实验室的约里奥-居里夫妇也正在进行类似实验。他们把石蜡板放在放射源和游离室之间，发现静电计偏转激增。石蜡含氢，会不会是氢核被铍辐射撞击形成新的射线？于是他们加磁场进行检验，磁场果然对这一射线有作用。遗憾的是，他们在肯定石蜡发出的是质子流之后，也和玻特一样，把铍辐射看成是射线。1932年1月18日约里奥-居里夫妇宣布，铍辐射的能量是如此之大，竟能把氢核（质子）从石蜡板中撞击出来。 随后，他们还用云室拍到了质子流的照片，但他们没有摆脱玻特的错误解释。人物介绍查德威克Sir James Chadwick(1891-1974)英国剑桥大学卡文迪什实验室实验物理学家中子的发现1935年诺贝尔物理学奖-因发现中子图13.4 查德威克查德威克从1921年就开始了中子的实验探索工作。他目标明确，前后12年，经历了许多曲折，终于成功。1914年当他还是学生时，就发现b射线能谱是连续的。1919年查德威克回到英国，随卢瑟福来到卡文迪什实验室，协助卢瑟福完成人工核转变的实验研究。1920年他通过铂、银和铜核研究a粒子的散射，直接测出了原子核的电荷，从而完全证实了卢瑟福的原子理论和关于元素的核结构以及核电荷数与元素的原子序数相等的结论。1923年当上了卡文迪什实验室助理主任。1935-1948年任利物浦大学教授。1948年起任剑桥大学戈维尔和凯尔斯学院院长。1927年当选为英国皇家学会会员。剑桥、牛津等许多大学都授予他荣誉学位。1945年被封为爵士。1974年7月24日在英国剑桥逝世，享年83岁。发现过程约里奥居里夫妇的实验对查德威克有极大的启发。当查德威克读到约里奥居里在法国科学院通报（Comptes Rendus）上的文章，文中报告了铍辐射极其惊人的特性，他立即告诉了卢瑟福。卢瑟福表示不相信，建议尽快做实验进行检验。这时查德威克正好准备开始实验，因为他已制备好了钋源。他以客观的态度工作，几天紧张的实验，就证明了这些奇异效应是某种中性粒子的作用。他还测出了这种粒子的质量。卢瑟福1920年假设的中子终于出现了。1932年2月17日，查德威克写信给自然（Nature）杂志，发表了他的结果，这篇通信的题目叫：“中子可能存在”，离约里奥居里的文章不到一个月。接着，在英国皇家学会通报上他又发表了题为“中子的存在”一文，详细报告了实验结果及理论分析.查德威克做了如下实验： (1) 考察反冲现象的普遍性。他把各种轻元素和气体一一进行试验，证明毫无例外地都会发生核反冲现象。 (2) 检验碰撞的能量关系。查德威克用石蜡做吸收实验，在石蜡板和游离室之间放置不同厚度的铝片，作吸收曲线，由此测出石蜡放出的质子具有5.7106电子伏的能量。如果铍辐射是由光子组成，根据能量守恒定律和动量守恒定律，可以像康普顿效应那样计算出光子的能量应为55106电子伏。用同样的铍辐射轰击氮，从云室中氮的反冲核留下的径迹, 估计氮核能量约为1.2106电子伏，计算得到的光子能量应为90106电子伏。这就表明：如果用与量子的碰撞来解释反冲原子，则当被碰撞原子的质量增加时，必须假设这一量子的能量越来越大。查德威克在论文中写道：“显然，在这些碰撞过程中，我们要么放弃应用能量与动量守恒，要么采用另一个关于辐射本性的假设。如果我们假设这一辐射不是量子辐射（即光子）而是质量与质子几乎相等的粒子，所有这些与碰撞有关的困难都会消除”于是，查德威克就假定铍辐射是卢瑟福预言的中子。 (3) 用云室测中子质量。将氮充入云室，从云室观测到氮原子在铍辐射（中子）轰击后的反冲速度为4.7108厘米秒，与同样的铍辐射（中子）轰击石蜡得到的质子速度3.3109厘米秒进行比较，可以粗略求得铍辐射的粒子质量与质子的质量非常接近。查德威克还进一步根据质谱仪测得的数据推算出了中子的精确质量为1.0067（原子质量单位），并对中子的性质进行了详尽的分析，以确凿的事实证明中子的存在。发现的突破点查德威克发现中子不是偶然的事件。他是在卢瑟福的中子假说指导下，经过多年的努力，反复试验、多方探索才取得成功的。从发现中子的历史可以看出，科学上的重大成果往往是许多人共同努力的结果。玻特和约里奥居里夫妇虽然失去了发现中子的机会，但他们还是作出了自己的贡献，为查德威克提供了事实和经验。查德威克如此快就取得这样重大的成果，还和卡文迪什实验室整个集体的支持分不开的。卢瑟福自不待说，其他成员，包括年轻的研究生和来自各地的研究人员也大力相助，发挥了集体的智慧和力量。当时，卢瑟福的亲密同事，来自苏联的卡皮查曾组织过一“俱乐部”，每周定期聚会，交谈工作中的问题和体会。这一天，正好查德威克做了有关铍辐射的实验，对中子的存在还没有完全把握，他把实验情况和自己的想法向大家谈了。关于中子的认识在卡文迪什实验室里早已尽人皆知，没有人怀疑。这时七嘴八舌地议论了近一个小时。有的建议用云室，有的提供质谱仪的新近情况，有的自告奋勇协助查德威克这大大地促进了中子实验的进程，使查德威克迅速由“中子可能存在”转变为肯定“中子的存在”，尽快地作出了科学结论。而查德威克高明之处在于，能洞察这些事实和经验的本质，认真地加以检验，取其精华，去其粗伪。他之所以能做到这一点，当然是和他在卢瑟福的中子假说指导下，长期进行探索，具有充分的思想准备和技术准备分不开的。而卢瑟福的中子假说，又是总结了多年来原子核研究的实践，根据遇到的矛盾提出来的，它为实验研究指明了方向。实验是物理学的基础，是新发现的泉源，但是实验离开了理论的指导，缺乏正确的理论思维，就可能成为盲目的实践。对科学史的影响在原子物理学的发展中，1932年发现中子是又一件划时代的大事。中子的发现引起了一系列后果：第一是为核模型理论提供了重要依据，苏联物理学家伊万宁科（D.Ivanenko）据此首先提出原子核是由质子和中子组成的理论；其次是激发了一系列新课题的研究，引起一连串的新发现；第三是找到了核能实际应用的途径。用中子作为炮弹轰击原子核，比粒子有大得多的威力。因此，可以说中子的发现打开了原子核的大门。