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英國物理學家詹姆斯·查德威克因發現中子而獲得 1935 年諾貝爾物理學獎。 為什么第一個發現中子的是查德威克而不是約里奧和居里？ 答案很簡單：因為查德威克是盧瑟福的學生，他很早就知道自然界中可能存在一種與質子非常相似的強相互作用性質的粒子，它的名字叫中子。 這是一個很好的例子，說明如何通過在大師身邊工作更容易成為大師。
撰寫者 | 邢志忠（中國科學院高能物理研究所研究員）
130年前，1891年10月20日，英國物理學家詹姆斯·查德威克（James ）出生于英格蘭西北部小鎮博靈頓的一個普通家庭。 他的童年主要是和祖父母一起度過的，這與科學巨人艾薩克·牛頓的童年有些相似。 11歲左右，查德威克來到曼徹斯特與父母團聚，開始他的中學教育。 1907年，高中畢業的查德威克獲得了曼徹斯特大學的獎學金，順利進入大學。 今年5月，36歲的新西蘭出生的英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（ ）加盟曼徹斯特大學，這給查德威克帶來了好消息。
事實上，查德威克最初想在大學學習數學而不是物理。 1908年秋天，一次偶然的機會，他參加了一位物理系老師主持的面試，害羞的查德威克成為了物理系的一名本科生。 他在大二學習了盧瑟福的電磁學課程，立刻就被這位科學大師的魅力所折服。 隨后他決定跟隨盧瑟福進行一個具體的科學研究項目，那就是研究鐳元素的放射性。 1911年夏天，完成本科學業后，他成為盧瑟福的研究生。 1912年，查德威克與導師合作發表了第一篇學術論文。
盧瑟福杰出的科學才華和影響力使曼徹斯特大學成為核物理研究中心，吸引了世界各地的年輕學者膜拜“曼徹斯特學派”。 1912年3月，27歲的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾來到曼徹斯特大學從事博士后研究。 他和查德威克很快就成了好朋友。 一年后，即 1913 年 7 月，玻爾在著名的英國哲學與科學雜志上發表了一篇重要論文，首次提出了量子化氫原子模型。 這項工作成為量子理論發展史上的里程碑之一，也為玻爾本人贏得了1922年諾貝爾物理學獎。
在曼徹斯特大學如此優秀的學術氛圍下，年輕的查德威克想不成功都難。
1912年夏天，查德威克憑借出色的科研記錄獲得了碩士學位。 雖然盧瑟福希望查德威克繼續和他一起做研究，但由于其他原因，查德威克于1913年秋來到德國柏林，加入了蓋革計數器的發明者漢斯·蓋革的行列。 實驗室。
蓋格也在曼徹斯特工作，是盧瑟福的重要合作者之一。 因此，他熱愛家人，悉心照顧查德威克。 當時，柏林是世界核物理和放射化學研究中心之一。 奧托·哈恩（Otto Hahn）和莉斯·邁特納（Lise ）等后來因發現核裂變而載入史冊的偉大科學家都在那里。 工作，這促使查德威克選擇原子核的貝塔衰變作為他的新研究課題。
長期以來，學術界都認為原子核的β衰變是一個二體過程：母核裂變成子核并放出一個電子丹麥物理學家，因此后者具有一定的能量，即其能譜應顯示單能離散譜。 。 但到了 1913 年，曼徹斯特學派和哈恩實驗室的初步觀察結果與這一預期相矛盾。 查德威克使用比以前的光敏膠片檢測技術更先進的蓋革計數器重新測量了β衰變的電子能量，發現它呈現出連續變化的光譜圖案。 1914年他以單獨作者的身份發表了這一測量結果，立即得到了盧瑟福和哈恩的認可，但遭到了邁特納的質疑。 1927年，曼徹斯特實驗室的查爾斯·埃利斯（Ellis）和威廉·伍斯特（ ）完成了更可靠的β衰變能譜測量，證實了電子的能譜是連續譜。 他們的實驗結果隨后得到了邁特納研究小組的證實。 因此，β衰變過程中能量是否嚴格守恒的問題，即所謂的“能源危機”，成為20世紀20年代和1930年代核物理天空中漂浮的烏云。
為了解釋β衰變的連續能譜問題，玻爾提出了微觀世界能量守恒可能只是統計平均規律的想法，即對于單個微觀反應可能存在能量不嚴格守恒的情況過程。 這一觀點無疑與美國物理學家阿瑟·康普頓（ ）1923年發表的光子和電子散射的實驗結果相矛盾，該結果清楚地表明這種微觀散射過程嚴格遵守能量和動量守恒定律。 的。 事實上，如果想要解釋當年β衰變實驗的結果，理論家還面臨另一個挑戰：如何保證初態和終態粒子的總角動量守恒？
此時最有資格發言的人是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Pauli），他于1925年1月提出了“不相容原理”（），因為他研究了原子核和基本粒子的自旋角動量。 太敏感了。 1930年12月，泡利在給研究核放射性的同事的一封公開信中提出了解決β衰變“能源危機”問題的方案。 他假設原子核在β衰變過程中，除了產生子核和電子外，還會釋放出一種質量小、電中性的新粒子，其自旋量子數等于1/2。 泡利將這種看不見摸不著的虛粒子稱為“中子”（）。 顯然他不知道“中子”的概念早在1920年就被盧瑟福發明并挪用了——用來描述另一種假設的粒子，它是電中性的，質量與質子相當，可以用作原子核的基本組成部分。 后來，意大利物理學家恩里科·費米將泡利構想的“中子”名稱改為“”（中微子），意思是微小的“中子”。
有了中微子的存在，β衰變反應的能量守恒、動量守恒、角動量守恒不再是問題； 而電子的能譜之所以呈現為連續譜，是因為電子要與中微子共享母核與子核質量差對應的反應能。 在這樣的三體衰變過程中，中微子攜帶著部分能量和動量逃逸。 然而當時的實驗技術根本無法證實泡利的假設。 直到 1956 年，中微子這種假想粒子才在反應堆實驗中首次得到證實。
時間回到1914年8月，查德威克的科研工作因第一次世界大戰爆發而中斷。盡管有德國同事的保護，作為戰敵公民的查德威克還是于當年11月被當局逮捕并送往美國。柏林以西的一個集中營。 不過，他在監獄里并不孤獨，甚至有機會定期給犯人講授電磁學和放射性知識。 無獨有偶，盧瑟福的另一位學生埃利斯也被囚禁在這個集中營，他成為了查德威克的好朋友。 由于戰爭造成的食物短缺，查德威克在獄中嚴重營養不良，患上了胃腸道疾病。 1918年11月，戰爭終于結束。 查德威克和埃利斯回到了他們的祖國英國，后來他們在那里成為了劍橋大學的同事。
1930年，劍橋大學出版社出版了盧瑟福、查德威克和埃利斯合著的《放射性物質的輻射》一書，系統地總結了氦原子核（即α粒子）與氦原子核、質子和原子的散射實驗結果。重原子核為強相互作用理論的建立奠定了初步的實驗基礎。 1935年，日本物理學家湯川英樹（ ）提出了原子核之間通過光介子交換相互作用的理論圖像。 這項工作是他的科學研究處女作。 他一炮而紅，獲得了1949年的諾貝爾物理學獎。
就在1930年，德國科學家沃爾特·博特和赫伯特·貝克在氦核和鈹核的散射實驗中觀察到一種在電場中不會偏轉的高穿透性射線。 ，他們理所當然地將其解釋為伽馬射線。 兩年后，也就是 1932 年，瑪麗·居里的大女兒艾琳·約里奧·居里 (-Curie) 和她的丈夫弗雷德里克·約里奧-居里 (-Curie) 重復了這個實驗。 。 他們發現，當含有氫原子的物質受到博特和貝克觀察到的射線轟擊時，會產生高能質子。 那么，這種新型射線是伽馬射線嗎？
當然不是！ 查德威克和他的導師盧瑟福都不相信約里奧-居里實驗結果可以用質子和光子的康普頓散射來解釋。 查德威克立即開始設計一項實驗，并在三周內進行了測量。 他發現這種新型射線不是伽馬射線，而是由一種新粒子組成的束，這種粒子呈電中性，質量與質子相似。 1932年2月27日，英國《自然》雜志發表了查德威克的實驗結果。 他的論文題為《中子的可能存在》（a），篇幅不到一頁，沒有任何公式或圖表，只有大約700字。 查德威克在論文的最后明確表示，“迄今為止所有的證據都支持中子，除非在某種程度上放棄能量和動量守恒，否則量子假說（即伽馬射線假說）并不成立”。 所以中子被發現是原子核的另一個基本組成部分！ 1935年，44歲的查德威克因發現中子而獲得諾貝爾物理學獎。
為什么第一個發現中子的是查德威克而不是約里奧和居里？ 答案很簡單：因為查德威克是盧瑟福的學生，他很早就知道自然界中可能存在一種與質子非常相似的強相互作用性質的粒子，它的名字叫中子。 這是一個完美的例子，說明了為什么在大師身邊工作更容易成為大師。 相比之下，約里奧·居里夫婦不得不承認，雖然他們同樣處于大師（居里夫婦等）云集的科研環境中，但他們對中子的概念一無所知，因此未能做出他的貢獻。第一次正確解釋了他的實驗結果，從而錯過了發現中子的好機會。
然而令人欣慰的是，兩年后，1934年2月10日，《自然》雜志發表了約里奧·居里夫婦撰寫的一篇題為《人工生產一種新放射性元素》的論文（一種新型無線電） 。 這篇論文不到一頁，僅約620字和1個化學反應方程式，但卻是人工放射性的開山之作。 憑借這一發現，約里奧-居里夫婦以非凡的速度獲得了1935年諾貝爾化學獎！ 人們不禁提出一個有趣的問題：如果約里奧·居里夫婦正確理解了1932年的實驗結果，并宣布發現了中子丹麥物理學家，那么他們可能會一舉獲得1935年的諾貝爾物理和化學獎。猛撲下來。 兩個獎項？
1935年秋，在獲得諾貝爾獎之前，查德威克被聘為利物浦大學教授。 在那里，他推動了回旋加速器的建造，使利物浦成為歐洲核物理研究中心之一。 查德威克也是英美合作曼哈頓計劃的關鍵人物，因為中子的發現是制造原子彈的重要前提之一。 1948年，查德威克回到劍橋大學，擔任科維爾和凱斯學院院長。 1958年底，他退休并與妻子搬到北威爾士。 十年后，他們搬回劍橋，離女兒不遠。
1974年7月24日，一代物理學大師查德威克在睡夢中去世，享年83歲。
主要參考：
1) A. Brown，《與炸彈：詹姆斯爵士》，出版社，紐約，1997 年。
2) G. Ecker，詹姆斯：他那個時代的領袖，arXiv:2007.06926, 2020。
3) J.，a，129 (1932) 312。
4) F. 和 I. Curie，關于新型無線電，133 (1934) 201。
制作編輯| 盧卡斯
