中子的发现

1919年卢瑟福实验用α离子轰击氮原子核后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗?还需要实验证实。

科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。

云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是个圆盒子,盒子中的空气含有过饱和的水蒸气,当带电粒子穿过盒子里的空气时,沿途就会产生一串离子,而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠,形成一条白色的云雾,因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后,从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。

这可以用照相的方法记录下来。

布拉克特使a粒子打进充有氮气的云雾室,然后拍照。他拍了两万三千张照片,结果只照到了八张人工核反应的照片。

这是1925年的事情。在照片上,象扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹,其中有一条中途停止了(说明α粒子打到氮核里去了),然后又分为两个叉,一条细而长的是质子的径迹,另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。

顺便提一下，威尔逊云雾室是历史上最早建造的粒子径迹探测器，它对粒子物理学的发展起过重大作用，正电子、μ子、K0介子和超子等都是通过拍摄它们在云雾室中的径迹而发现的。

卢瑟福的发现被研究得更清楚了。新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。

1930年德国有位物理学家玻特和他的学生贝克也在研究卢瑟福的实验,他们这么想:为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢?难道就不可能放出电子(也就是β射线)和γ射线吗?那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线,并且常常伴有γ射线,但是不放出质子。

他们研究了卢瑟福作的实验,注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。玻特知道,α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光,但是,如果有β射线或γ射线射在硫化锌上,却不会发出闪光。因此,即使有放出β射线和γ射线的核反应发生,卢瑟福也观测不到。

卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼,他没有看到闪光,所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。

玻特想,α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去,为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢?可能打进去以后放出来的不是质子,而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子？如果真是这样,用什么方法才能观测到它们呢?

这时候,卢瑟福的学生盖革也在德国工作,他发明了计数器,利用电子学仪器,可以测量各种射线并计算粒子的数目或射线的强度。

盖革计数器是一个装有气体的圆筒，上面加有很高的电势，但是还没有高到能克服气体的电阻将它击穿的地步。如果有一个高能亚原子粒子进入圆筒，它将使其中气体的一个分子电离。新产生的这个离子以很高的能量向阴极运动，途中通过碰撞，再使另外一些原子电离；这些电离的原子本身又开始运动，再进一步电离其他原子。这就是说，圆筒内的气体发生了一次“雪崩”电离过程。由于这个过程，圆筒内的气体会通过一个瞬时电流，它可以被记录下来而发出一次咔嗒声。这种咔嗒声记录的就是粒子进入圆筒的事件，能为这些进入的粒子事件自动计数。

用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。

贝克和玻特用计数器去进行研究。他们用钋作为α粒子的放射源,因为钋只放射α粒子,不放射β射线和γ射线,这就使实验简单多了。对着α粒子源安装了计数管,由于钋不发射β射线和γ射线,而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁,所以计数管没有计数。

但是,只要在α粒子源和计数管之间放上涂锂、铍或硼的片,计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上,发生了核反应,并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。

这是什么射线呢?玻特和贝克作了测试实验。他们加上电场和磁场试了试,发现射线在电场和磁场中不会偏转,说明射线不带电荷,不是β射线,也不是α粒子和质子。他们又用2厘米厚的铅板试了试,射线还是穿透过去了,强度只减弱13%。他们认为,这种射线是极强的γ射线。

玻特和贝克用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应,这是完全正确的。他们认为反应结果是放出y射线,这一点后来证明是错误的。中子的发现居然和他们擦肩而过。

在法国,居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在作玻特和贝克作过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡,结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。但是小居里夫妇也没有想到这铍发出的中性射线就是还没被确定的中子。

这个实验又转到英国,查德威克用铍发出来的射线射击氢,发现了高速的质子;射击氮原子,氮原子也被推动了,只是速度比质子小得多;射击氩,氩原子也被推动了,速度又小一些。这说明铍发出来的射线速度没有达到光速不应该是γ射线,而是具有一定质量的某种粒子。

查德威克

经过反复的实验,查德威克认为α粒子打在铍核上的是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞,就把它们弹开了,正象他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。

那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢?查德威克根据实验结果算出来,它的质量与质子几乎一样大。

中子是人们过去还不知道的粒子,现在由铍原子核中打了出来,这说明原子核中有中子。这样一来,组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了,又多了一种中子。

就在发现中子的1932年,人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子,它带着阳电荷,而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。

中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言,他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年,德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理,指出原子核里不可能有电子;他认为原子核是由质子和中子组成的。

他的这种原子核模型很快就为科学界所接受,成为今天我们所熟知的常识。海森堡的模型不同于质子电子模型,一些符号却仍然保持原样,不过符号的意义有所不同。元素符号的左上角是质量数,也就是核中的质子和中子的总数;左下角是原子序数,就是核电荷数,也就是核中的质子数;左上角数字减去左下角数字,就是核中的中子数。氦原子核是由2个质子和2个中子组成的。同样,氯有两种同位素,它们核中都有17个质子,然而中子数不同，Cl35的中子数为18（35-17=18）而Cl37的中子数为20（37-17=20）。原子核里只有两种粒子—质子和中子,而电子只在核外面运动,原子核里面是没有电子的。因此,人们又把质子和中子通称为“核子”。但是,问题又来了。已经知道,有些放射性元素放出β射线(电子流)。如果原子核里没有电子的话,又怎么能够放出来电子呢?（现在我们知道那是因为中子会转变为质子和放出电子）

再有,原子核里有中子,那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢?

直到1950年,人们用实验证明了,自由的中子不稳定，有放射性，每13分钟就有一半中子会转变成质子和电子。

质子就是氢原子核,它是稳定的。中子只有在原子核里,并且和质子按一定比例结合在一起的时候,它才是稳定的,原子核也才稳定。

如果原子核里的中子偏多了,同质子不成比例了,中子在原子核里也会变成质子,同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去,立刻以极大的速度从原子核里射了出来,这就是β射线。