在生活中寻找微观粒子存在的证据（微观粒子发现史之四）

卢瑟福发现质子之后觉得有点不对劲，怎么说呢？就拿他最熟悉的α粒子来说吧。现在我们都知道，α粒子就是氦原子核，带两个正电荷，这个好解释，因为氦原子核有两个质子嘛，可是α粒子质量为四倍的氢原子核，氢原子核就是质子这个卢瑟福已经知道了，要是这样的话，α粒子的质量应该是两倍的氢原子核呀，多出来的质量是哪来的呢？

卢瑟福觉得在原子核内部除了质子应该还有一种粒子，这种粒子质量和质子差不多，不过不带正电荷也不带负电荷，那就是呈中性了，卢瑟福把这种粒子叫做中子。

这就是卢瑟福的伟大之处，做完了实验之后都会深入思考，上次做完α粒子散射实验后想了想就提出了原子行星模型，这次发现了质子后，又预言了中子，这就是文武双全的物理学大师。

可中子在哪呢？这种事情不要问卢瑟福，他专管设计实验并深入思考，至于这些粗活杂活他是不管的，找中子这事就交给了学生查德威克。

子曾经曰过"有教无类"，这句话对卢瑟福同样适用，他的学生中有光芒万丈的玻尔，此公专门和爱因斯坦做对，关键是还赢了爱神，也有查德威克这种资质平平的老实孩子。

查德威克来自英国，中学时代没有表现出过人天赋，有时候甚至不能按时完成物理作业，不过他做事一丝不苟，坚信只要付出就有回报，这就是荀子所说的"驽马十驾功在不舍"。

说起来这还真有点巧合，老师卢瑟福实行孔夫子的教育理念，学生查德威克信奉夫子传人荀子的想法，真不愧是师徒呀，最狠的还是大师兄玻尔，干脆把道家的太极图作为了家徽，看来他们师徒都和我们古老东方有点联系。

虽然查德威克资质平平，但是卢瑟福还是在一眼看中了他，原因是查德威克视力好，有点滑稽吗？这偏偏是真的。

早就说过了，卢瑟福作为老师专管设计实验，比如α粒子散射实验就是由助手盖革（就是发明盖革计数器的盖革）和学生马斯登亲手做的，不过这俩人天天盯着也累啊，卢瑟福就找了几个视力好的大学生来看荧光屏，于是查德威克就入选了。

这不但对查德威克，对于任何人来说都是千载难逢的好机会呀，想一想当年的法拉第吧，那可是给老板戴维当了好几年仆人才有机会进实验室呀，这基本上就相当于求学期间就参与了国家实验室，还是顶级尖端项目，这也就后来的费曼参与曼哈顿计划可以相比吧。

就在查德威克踌躇满志准备大显身手的时候，一战爆发了，查德威克不幸地成为了战俘。可是即便在德国战俘营，也阻挡不了查德威克进军科学的雄心壮志。查德威克在战俘营里联合了几个战俘成立了一个学习小组，大家一起研究物理学，这种精神太让人们佩服了，以至于德国科学家都看不下去了，德国科学家写信给战俘营，要求战俘营给予查德威克研究的自由。

一战结束后，查德威克回到了英国，投身到卢瑟福门下。他很开心，终于不用在战俘营讨论物理了，卢瑟福更开心，终于可以做实验了，按照惯例，卢瑟福设计实验，苦活累活查德威克干，他们一起发现了质子，卢瑟福还预言了中子的存在。

可是发现中子可没有电子质子那么简单，电子质子都带有电荷，都可以通过电场磁场偏转，这在威尔逊云室中可以清晰看出轨迹来，而中子不带电荷，就是一条直线，这怎么看？电子质子都可以测量一下荷质比，就是携带电荷和质量的比值，当初无论电子质子的发现这都是一个重要的参数，中子不带电荷，哪里有荷质比呀。

师徒两个想了无数的办法也没有找到中子，不过别人却有一些发现。

德国物理学家波特和学生贝克尔用α射线轰击了铍元素，想看一下有什么东西出现，这种手法是不是很熟悉呀，对的，卢瑟福靠这招推翻了老师老汤姆孙的西瓜模型，提出了自己的原子行星模型，还是靠这招轰击了氮气，结果发现了质子，于是大家都想试一下，结果波特还真发现了点东西。

波特发现的是一束穿透力非常强的中性射线，注意了啊，这是中性射线，什么是中性的呢？当然是卢瑟福预言的传说中的中子，这就是未来的诺贝尔奖呀，可是波特不这么认为，因为还有一种东西也是中性，那就是γ射线，γ射线其实就是波长极短频率极高的电磁波，班纳博士就是由于照射了γ射线变成绿巨人的，γ射线就是光子，当然是中性的，波特认为这种中性射线就是γ射线。

为了保险起见，波特还是测量了一下这种中性射线的穿透力，就是用铅来测试射线的吸收率，还记得吗？超人的眼睛无法穿过铅，那是由于超人的眼睛发射的就是γ射线，而铅对γ射线吸收率非常高。

波特发现这种射线可以轻松穿透铅，这就是说这肯定不是γ射线了，可是波特固执地认为这是一种特殊的γ射线，这是生生地把诺贝尔奖往外推呀。

波特还不是最遗憾的，最遗憾的是大居里夫妇。

要说诺贝尔奖家族，居里家是不可超越的巅峰，别人家最多父子俩获奖，象两辈子跟电子较劲的汤姆孙父子，还有玻尔父子，人家居里家是六人次获奖，他家也才总共六个人，平均一人一次，老居里夫妇就不用说了，尤其是居里夫人，自个就获了两次，大居里夫妇也得过，小女儿倒是没有获奖，可小女婿也得了，不过小女婿不是科学家，人家得的是和平奖。

是不是有点叹为观止了，其实居里家族还有可能更上一层楼的，达到平均两次的，这都怪大居里夫妇高风亮节，楞把诺贝尔奖向外推，还推了三次，中子的发现就是第一次。

大居里夫妇也发现了这种中性射线，他们走的比波特还远，他们用中性射线轰击了石蜡，石蜡也发出了一种射线，这种射线偏转了静电计，这说明这种射线是带电了，他们又用磁场检测了这种射线，也发生了偏转，由于石蜡中还有氢元素，测定荷质比后他们确定石蜡中发出来的射线就是质子流。

能把质子都轰击出来的，至少得和质子质量差不多吧，这都明显就是中子了，可是大居里夫妇认同了波特的说法，认为这是一种γ射线，他们发布了自己的实验结果。

这个时候，查德威克还在为寻找中子殚精竭虑，已经整整十二年了，还没有任何线索，看到大居里夫妇的文章后，他立刻告诉了老师卢瑟福，卢瑟福表示大居里夫妇的实验有问题，吩咐查德威克立即照样做实验，在汇报给卢瑟福之前，查德威克已经做好了实验的准备工作，老师一声令下，查德威克开始了实验。

查德威克的实验结果和大居里夫妇的是一样的，不过查德威克对实验结果的分析却和他们夫妇俩不一样。

首先查德威克认为这种中性射线不可能是γ射线，γ射线其实就是一种高频率的光子，查德威克测出了中性射线轰击石蜡后石蜡发射的质子流的能量，他的方法是在石蜡板和游离室之间放置不同厚度的铝片，记录下质子流恰好被铝片完全吸收时的铝片厚度，根据铝片厚度就可以计算出质子流的能量，这个方法就是卢瑟福发现质子时用过的方法，这就叫一脉相承，用这种方法查德威克知道了质子流的能量就是5.7×10^6电子伏特，根据能量守恒定律和动量守恒定律，可以推算出要是中性粒子流是γ射线的话，依据爱因斯坦对于光电效应的解释，光就是一种光子，那么就可以根据能量守恒定律和动量守恒定律计算出γ射线的能量，γ射线的能量一部分传递给了质子流，一部分变成了低频率的光子应，应用康普顿效应来计算，那么γ射线的能量就高达55×10^6电子伏特，这还无所谓呀。

接着查德威克又做了一个对照试验，问题就出来了。

查德威克又用这种中性射线轰击了氮气，这和卢瑟福发现质子的操作如出一辙，在威尔逊云室中观察到了氮原子核的反冲轨迹，通过反冲轨迹，可以知道氮原子核的能量为1.2×10^6电子伏特，依据上面的计算方法再计算一次，不可思议的结果出现了，要是中性射线就是γ射线的话，那么这种情况下能量就达到了90×10^6电子伏特，几乎要高了一倍了。

这就意味着，中性射线的能量随着轰击原子核的大小而增高，轰击小原子核时能量低，轰击大原子核时候能量高，可是这是一种射线呀，怎么可能有两种能量呢？

真相只有一个，要么是能量守恒定律错了，要么这种中性射线不是γ射线，而能量守恒定律是不可能错的，唯一的真相就是这种中性射线不是γ射线，而是传说中的中子。

在大居里夫妇发表论文一个月后，查德威克发表了论文《中子可能存在》。

不过这还是用反证法证明的，只是说了这种中性射线不可能是γ射线，可也没有确切证明这就是中子呀，看来还得继续实验。

这次实验就是要得出中性射线的质量，实验方案是这样的，用中性射线分别和氢原子核和氮原子核碰撞，应用能量守恒定律和动量守恒定律来计算这种中性射线的质量。

先看一下中性射线和氢原子核碰撞的结果

这是中性射线和氢原子核碰撞后的能量守恒方程和动量守恒方程，其中m是中性射线的质量，v0是中性射线的速度，mH是氢原子核的质量，vH0是氢原子核碰撞前的速度，v1是中性射线碰撞后的速度，vH是氢原子核碰撞后的速度。

再来看中性射线和氮原子核碰撞的结果。

这是中性射线和氮原子核碰撞后的能量守恒方程和动量守恒方程，其中m是中性射线的质量，v0是中性射线的速度，mN是氮原子核的质量，vN0是氮原子核碰撞前的速度，v2是中性射线碰撞后的速度，vN是氮原子核碰撞后的速度。

两组方程联立就可以得出结果。

由于氢原子核氮原子核在碰撞之前都处于静止状态，当然了，都会有点分子热运动，基本上可以忽略不计，因此vH0=0和vN0=0，这样结果就变成了：

把氢原子核的速度和氮原子核的速度比较一下，就有了下面这个式子：

而氮原子核的质量是氢原子核的14倍，这个不但现在我们清楚，当时查德威克也知道，于是公式又变成了：

好了，现在只需要知道碰撞后氢原子核和氮原子核的比值就可以了，这个事可以测量出来的，对于一直跟着卢瑟福混的查德威克来说，这不是什么太难的事情，查德威克测出来两者的比值就是7.5，这样解一个简单的方程就可以知道中性射线的质量了。

接一下这个方程就知道了m=mH，而mH就是氢原子核就是质子的质量，可以知道这种中性射线的质量基本上和质子相同，这就是卢瑟福预言的中子。

两个月后，查德威克又发表了一篇论文，论文题目就是《中子的存在》，此时，查德威克已经确认这种中性射线就是中子了。

据说约里奥居里就是大居里夫妇中的夫看到查德威克的论文后长叹一声："我太笨了"。

真的是大居里夫妇太笨了，还真不是，作为老居里夫妇的女儿女婿作为诺贝尔奖获得者，怎么可能笨呢？那么到底是什么让他们夫妻俩错失了发现中子的机会呢？是他们的研究态度。

伟大的居里夫人在科学研究由两点为世人敬仰，一是如老黄牛一般不辞劳苦的孜孜不倦，一是鹰一样的敏锐观察力，大居里夫妇继承了居里夫人的老黄牛精神，却没有继承鹰一般的观察力，可以说大居里夫妇是一对老黄牛，还是那种只顾低头拉车不抬头看路那种老黄牛。

1920年，卢瑟福预言原子核内部可能还存在中子后，还曾经专门到法国就此问题演讲，可是大居里夫妇认为这只不过是科普演讲，没有去听卢瑟福的演讲，这就让他们错失了一次机会，卢瑟福都已经把路标画出来了，他们都懒得看一眼。

而查德威克所在的卡文迪许实验室却是群英荟萃，号称"诺贝尔奖的幼儿园"，意思是在卡文迪许实验室实验室混过的，基本上都能捞个诺贝尔奖。

查德威克重复了大居里夫妇的实验后，但是对中子的存在还有点拿不准，他把想法对同事们一说，大家纷纷提出建议，因为大家早就对中子的存在深信不疑，有人说用威尔逊云室，有人说用质谱仪，而发明云室的威尔逊本来就是卡文迪许实验室的，算起来还是查德威克的师叔，发明质谱仪的阿斯顿也是卡文迪许实验室的工作人员，同时这两位也都是诺贝尔奖的获奖者。

与其说是查德威克战胜了大居里夫妇，不如说是卡文迪许实验室战胜了大居里夫妇。

和大居里夫妇同样遗憾的还有中国的两弹一星元勋中国核科学奠基人王淦昌先生，王淦昌先生曾经建议他的老师梅特涅做一下这方面的实验，可是梅特涅却没有听这位睿智学生的建议，看来有一位好老师也很重要。

中子的发现为查德威克带来了诺贝尔奖，也拓宽了人们的视野，从此后人们知道了原子核由质子和中子构成，还有更重要的一点，之前探究原子内部的秘密，都是用α粒子，发现中子以后就可以用中子了，这就触发了原子间的链式反应，对的，这就是后来制造原子弹的基础。

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