■肖如坡、楊新楠/譯
■譯自 APS 新聞，2007 年 5 月
詹姆士
直到 20 年代，物理學(xué)家才知道原子的大部分質(zhì)量都集中在含有質(zhì)子的中央原子核中。 1932 年 5 月，查德威克（詹姆斯）宣布原子核中存在一種新的不帶電粒子，他將其稱(chēng)為中子。
查德威克 1891 年出生于英國(guó)曼徹斯特的一個(gè)工人階級(jí)家庭。 他是一個(gè)害羞的孩子，但他的聰明才智引起了老師的注意，并被送到曼徹斯特大學(xué)學(xué)習(xí)物理。 在那里，他與盧瑟福（1871-1937，1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）一起研究了各種類(lèi)型的輻射。
1914年，查德威克決定跟隨蓋革前往德國(guó)進(jìn)行研究，但不幸的是，他抵達(dá)后不久就爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)，查德威克最終被關(guān)進(jìn)了那里的戰(zhàn)俘營(yíng)。 花了4年時(shí)間。 但這并沒(méi)有徹底結(jié)束他的科學(xué)研究。 為了避免無(wú)聊，他和幾名戰(zhàn)俘組成了一個(gè)科學(xué)社團(tuán)，互相講學(xué)，還設(shè)法說(shuō)服看守讓他們建立一個(gè)小實(shí)驗(yàn)室。 盡管許多化學(xué)品很難獲得，但查德威克當(dāng)時(shí)在德國(guó)市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了一種放射性牙膏，并說(shuō)服警衛(wèi)提供給他使用。 此外，他還用一些錫紙和木頭制作了驗(yàn)電器中子物理學(xué)家，并做了一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。
戰(zhàn)后，查德威克返回英國(guó)，并于 1921 年在時(shí)任劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任盧瑟福的指導(dǎo)下，在劍橋大學(xué)完成了博士學(xué)位。 因此查德威克能夠繼續(xù)研究放射性，使用比錫箔和牙膏復(fù)雜得多的設(shè)備。 1923年，查德威克被任命為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的助理主任。
盧瑟福于1911年發(fā)現(xiàn)了原子核，并于1919年觀察到了質(zhì)子。不過(guò)，似乎原子核中除了質(zhì)子之外還應(yīng)該有別的東西。 例如，已知氦的原子序數(shù)為2，但其質(zhì)量數(shù)為4。一些科學(xué)家認(rèn)為，原子核中有額外的質(zhì)子以及同等數(shù)量的電子，可以中和多余的電荷。 1920年，盧瑟福提出電子和質(zhì)子應(yīng)該形成一種新的中性粒子。 但這種說(shuō)法沒(méi)有真正的證據(jù)，而且所提出的中性粒子也很難檢測(cè)到。
查德威克繼續(xù)從事其他研究項(xiàng)目，但繼續(xù)思考這個(gè)問(wèn)題。 1930年左右，包括德國(guó)物理學(xué)家博特（1954年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）和他的學(xué)生貝克（H.）在內(nèi)的幾位研究人員已經(jīng)開(kāi)始利用從釙中獲得的α粒子撞擊鈹，進(jìn)而研究鈹產(chǎn)生的輻射。 一些物理學(xué)家認(rèn)為，鈹發(fā)出的高穿透性輻射是由高能質(zhì)子組成的。 但查德威克注意到這種輻射的幾個(gè)特殊性質(zhì)，并開(kāi)始認(rèn)為它可能由中性粒子組成，正如盧瑟福所提出的那樣。
一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)特別引起了他的注意：弗雷德里克和艾琳·居里（居里夫人的長(zhǎng)女和女婿）正在研究鈹撞擊石蠟的效果。 輻射，但當(dāng)時(shí)無(wú)法證實(shí)其性質(zhì)。 他們發(fā)現(xiàn)，輻射還會(huì)從目標(biāo)中的氫原子中撞出質(zhì)子，并且這些質(zhì)子以極高的速度反沖出去。
約里奧-居里認(rèn)為擊中石蠟?zāi)繕?biāo)的輻射一定是高能伽馬光子，但查德威克覺(jué)得這種解釋不合適。 查德威克推斷，光子沒(méi)有質(zhì)量，不會(huì)將像質(zhì)子一樣重的粒子從目標(biāo)中擊出。 1932年，他親自嘗試了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，并確信鈹發(fā)出的輻射實(shí)際上是一種中性粒子，質(zhì)量大約相當(dāng)于質(zhì)子。 除了石蠟之外，他還嘗試使用其他目標(biāo)，包括氦、氮和鋰，這幫助他確定新粒子的質(zhì)量?jī)H比質(zhì)子大一點(diǎn)。
查德威克還注意到，由于中子不帶電荷，因此它們可以比質(zhì)子更深入地穿透目標(biāo)。
經(jīng)過(guò)僅僅兩周的實(shí)驗(yàn)，查德威克于 1932 年 2 月發(fā)表了一篇題為“中子的可能存在”的論文。 他在論文中指出，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，對(duì)這種神秘射線的正確解釋?xiě)?yīng)該是中子，而不是伽馬射線光子。 幾個(gè)月后，即 1932 年 5 月中子物理學(xué)家，查德威克發(fā)表了一篇更具結(jié)論性的論文，題為“中子的存在”。
到1934年，人們證實(shí)新發(fā)現(xiàn)的中子是一種基本粒子，而不是盧瑟福最初提出的質(zhì)子和電子的組合。
中子的發(fā)現(xiàn)很快改變了科學(xué)家對(duì)原子的看法，查德威克也因這一發(fā)現(xiàn)獲得了 1935 年諾貝爾獎(jiǎng)。 科學(xué)家們很快了解到，新發(fā)現(xiàn)的中子是一種不帶電但相當(dāng)重的粒子，可用于探測(cè)其他原子核。 不久之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用中子撞擊鈾會(huì)導(dǎo)致鈾核分裂，釋放出大量可用于制造核武器的能量。 查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，為原子彈鋪平了道路，他實(shí)際上在二戰(zhàn)期間參與了曼哈頓計(jì)劃。 他于 1974 年去世。
（本文轉(zhuǎn)載自2010年6月《物理雙月刊》，網(wǎng)址：；肖如坡，自由撰稿人；楊新楠，臺(tái)灣大學(xué)物理系，Email：.tw）
