科学预见目标明确坚持实验取得证据

——中子的发现

中子的发现是探索原子奥秘的历程中又一件大事，对弄清原子核的结构，建立原子核理论和利用核能都有极其重要的意义。

中子是1932年英国物理学家查德威克（J．Chadwick）发现的。

早在1920年，卢瑟福就预言过中子的存在。当时已经发现了质子，知道质子就是氢离子，质子是原子核的组成部分。但是如果原子核里只有质子，就会出现矛盾：核电荷数就会与核外电子数不符。而为了满足原子是电中性的要求，必须假设原子核中除质子外，还有若干个电子与质子共存。可是电子、质子带的是异号电荷，怎样保证它们处于稳定状态呢？于是，卢瑟福提出一种设想，认为在某种情况下，也许有可能由电子和质子组成中性的双子，也就是中子。他还预言这种粒子可能自由地穿透物质。

为了检验卢瑟福的假说，英国剑桥大学的卡文迪什实验室从1921年起就开始进行实验探索。在这些活动中，卢瑟福的学生、助手查德威克作出了突出的贡献。他坚持不懈，历经11年，终于在1923年找到了中子存在的确凿证据。

起初，他和同事们一起，想从放电和用高速质子轰击原子进行实验，但都未成功。经过多次尝试，他们摸索到有一种元素叫做铍（Be），用放射性元素钋（Po）发出的α射线去轰击，有可能取得最佳效果。

1930年，正当查德威克积极准备条件，重新调整实验方案，对结果抱有更大期望之际，从德国的柏林和法国的巴黎相继传来了令人惊奇的消息。

柏林德国皇家物理技术研究所的玻特（W．Bothe）也在用轻元素铍进行试验。由于他在计数器研制方面的领先地位，他率先做出了实验成果。他发现用α射线轰击铍，铍会发射出穿透力极强的中性射线。然而玻特判断这是能量极高的一种特殊的γ射线。这个结论后来证明是错的。

巴黎的居里镭学研究所里，居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥也在进行此类的实验。玻特的文章发表后，他们很快就用实验加以证实。由于他们拥有特别强的放射源，实验结果非常显著。为了检验玻特的结论，他们还在铍和游离室之间放了一块石蜡，发现铍的中性射线打到石蜡上，会使石蜡再发出一种射线，经磁场作用，他们断定这射线是质子流。

遗憾的是，约里奥-居里夫妇也没有做出正确的解释。他们肯定了玻特的结论，并且进一步用γ粒子和氢离子碰撞来解释高速质子流的产生。如果他们注意到卢瑟福当年的理论预见，或者用能量守恒定律对碰撞过程的能量转化进行认真的验算，也许就不会错过发现中子的机会。

当查德威克读到约里奥-居里的文章时，他立即感到结论有问题，心想会不会就是自己多年要找的中子。随后他就用准备好的外源和新的探测仪器，复核了玻特和约里奥-居里的实验。他的实验装置如图1所示。放射源钋Po和铍Be样品放在真空室中，从外源发出的α射线打到铍上，使铍发出中性射线。右侧的游离室用于检测，他的电信号经放大器放大，再送到示波器显示。

查德威克把各种轻元素（如锂、硼、碳等）置于游离室的窗口，或 图1 查德威克的实验装置

把各种气体（如氧气、氮气、氩气等）充入游离室里，让铍产生的中性射线对样品进行轰击，结果发现所有样品都会使游离室游离，显然是中性射线有足够的能量使这些样品的原子核发生反冲。他又用吸收法测这些反冲核的能量，证明如果中性射线是由光子组成，将无法满足能量守恒定律。只有假设中性射线是由质量与质子相近的粒子组成，才能消除矛盾。

接着，查德威克假设铍辐射就是中子，用云室方法测得石蜡和氮气在中子轰击后，氢核和氮核的反冲速度分别为υH=3.3×107米／秒，υN=4.7×l06米／秒，然后用弹性碰撞公式进行计算。设M与υ分别为中子的质量与速度，则

中子和氢核碰撞后，氢核的速度为υH=·υ（已知氢核的质量为1个原子质量单位）；

中子和氮核碰撞后，氮核的速度为υN=·υ（已知氮核的质量为14个原子质量单位）。由上两式得

由此求出，中子质量M=1.15（原子质量单位），与质子的质量非常接近。

查德威克还进一步根据质谱仪的数据推算出中子的质量为1.006 7原子质量单位，并对中子的性质进行了详尽分析，以确凿的事实证明中子的存在。

至此，原子结构已初步探明：原子中心有核；核外有数量不等的电子；核内基本上是质子和中子两种成分。

中子的发现