- 介绍-
英国物理学家詹姆斯·查德威克因发现中子而获得 1935 年诺贝尔物理学奖。 为什么第一个发现中子的是查德威克而不是约里奥和居里？ 答案很简单：因为查德威克是卢瑟福的学生，他很早就知道自然界中可能存在一种与质子非常相似的强相互作用性质的粒子，它的名字叫中子。 这是一个很好的例子，说明如何通过在大师身边工作更容易成为大师。
撰写者 | 邢志忠（中国科学院高能物理研究所研究员）
130年前，1891年10月20日，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James ）出生于英格兰西北部小镇博灵顿的一个普通家庭。 他的童年主要是和祖父母一起度过的，这与科学巨人艾萨克·牛顿的童年有些相似。 11岁左右，查德威克来到曼彻斯特与父母团聚，开始他的中学教育。 1907年，高中毕业的查德威克获得了曼彻斯特大学的奖学金，顺利进入大学。 今年5月，36岁的新西兰出生的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（ ）加盟曼彻斯特大学，这给查德威克带来了好消息。
事实上，查德威克最初想在大学学习数学而不是物理。 1908年秋天，一次偶然的机会，他参加了一位物理系老师主持的面试，害羞的查德威克成为了物理系的一名本科生。 他在大二学习了卢瑟福的电磁学课程，立刻就被这位科学大师的魅力所折服。 随后他决定跟随卢瑟福进行一个具体的科学研究项目，那就是研究镭元素的放射性。 1911年夏天，完成本科学业后，他成为卢瑟福的研究生。 1912年，查德威克与导师合作发表了第一篇学术论文。
卢瑟福杰出的科学才华和影响力使曼彻斯特大学成为核物理研究中心，吸引了世界各地的年轻学者膜拜“曼彻斯特学派”。 1912年3月，27岁的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔来到曼彻斯特大学从事博士后研究。 他和查德威克很快就成了好朋友。 一年后，即 1913 年 7 月，玻尔在著名的英国哲学与科学杂志上发表了一篇重要论文，首次提出了量子化氢原子模型。 这项工作成为量子理论发展史上的里程碑之一，也为玻尔本人赢得了1922年诺贝尔物理学奖。
在曼彻斯特大学如此优秀的学术氛围下，年轻的查德威克想不成功都难。
1912年夏天，查德威克凭借出色的科研记录获得了硕士学位。 虽然卢瑟福希望查德威克继续和他一起做研究，但由于其他原因，查德威克于1913年秋来到德国柏林，加入了盖革计数器的发明者汉斯·盖革的行列。 实验室。
盖格也在曼彻斯特工作，是卢瑟福的重要合作者之一。 因此，他热爱家人，悉心照顾查德威克。 当时，柏林是世界核物理和放射化学研究中心之一。 奥托·哈恩（Otto Hahn）和莉斯·迈特纳（Lise ）等后来因发现核裂变而载入史册的伟大科学家都在那里。 工作，这促使查德威克选择原子核的贝塔衰变作为他的新研究课题。
长期以来，学术界都认为原子核的β衰变是一个二体过程：母核裂变成子核并放出一个电子丹麦物理学家，因此后者具有一定的能量，即其能谱应显示单能离散谱。 。 但到了 1913 年，曼彻斯特学派和哈恩实验室的初步观察结果与这一预期相矛盾。 查德威克使用比以前的光敏胶片检测技术更先进的盖革计数器重新测量了β衰变的电子能量，发现它呈现出连续变化的光谱图案。 1914年他以单独作者的身份发表了这一测量结果，立即得到了卢瑟福和哈恩的认可，但遭到了迈特纳的质疑。 1927年，曼彻斯特实验室的查尔斯·埃利斯（Ellis）和威廉·伍斯特（ ）完成了更可靠的β衰变能谱测量，证实了电子的能谱是连续谱。 他们的实验结果随后得到了迈特纳研究小组的证实。 因此，β衰变过程中能量是否严格守恒的问题，即所谓的“能源危机”，成为20世纪20年代和1930年代核物理天空中漂浮的乌云。
为了解释β衰变的连续能谱问题，玻尔提出了微观世界能量守恒可能只是统计平均规律的想法，即对于单个微观反应可能存在能量不严格守恒的情况过程。 这一观点无疑与美国物理学家阿瑟·康普顿（ ）1923年发表的光子和电子散射的实验结果相矛盾，该结果清楚地表明这种微观散射过程严格遵守能量和动量守恒定律。 的。 事实上，如果想要解释当年β衰变实验的结果，理论家还面临另一个挑战：如何保证初态和终态粒子的总角动量守恒？
此时最有资格发言的人是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Pauli），他于1925年1月提出了“不相容原理”（），因为他研究了原子核和基本粒子的自旋角动量。 太敏感了。 1930年12月，泡利在给研究核放射性的同事的一封公开信中提出了解决β衰变“能源危机”问题的方案。 他假设原子核在β衰变过程中，除了产生子核和电子外，还会释放出一种质量小、电中性的新粒子，其自旋量子数等于1/2。 泡利将这种看不见摸不着的虚粒子称为“中子”（）。 显然他不知道“中子”的概念早在1920年就被卢瑟福发明并挪用了——用来描述另一种假设的粒子，它是电中性的，质量与质子相当，可以用作原子核的基本组成部分。 后来，意大利物理学家恩里科·费米将泡利构想的“中子”名称改为“”（中微子），意思是微小的“中子”。
有了中微子的存在，β衰变反应的能量守恒、动量守恒、角动量守恒不再是问题； 而电子的能谱之所以呈现为连续谱，是因为电子要与中微子共享母核与子核质量差对应的反应能。 在这样的三体衰变过程中，中微子携带着部分能量和动量逃逸。 然而当时的实验技术根本无法证实泡利的假设。 直到 1956 年，中微子这种假想粒子才在反应堆实验中首次得到证实。
时间回到1914年8月，查德威克的科研工作因第一次世界大战爆发而中断。尽管有德国同事的保护，作为战敌公民的查德威克还是于当年11月被当局逮捕并送往美国。柏林以西的一个集中营。 不过，他在监狱里并不孤独，甚至有机会定期给犯人讲授电磁学和放射性知识。 无独有偶，卢瑟福的另一位学生埃利斯也被囚禁在这个集中营，他成为了查德威克的好朋友。 由于战争造成的食物短缺，查德威克在狱中严重营养不良，患上了胃肠道疾病。 1918年11月，战争终于结束。 查德威克和埃利斯回到了他们的祖国英国，后来他们在那里成为了剑桥大学的同事。
1930年，剑桥大学出版社出版了卢瑟福、查德威克和埃利斯合着的《放射性物质的辐射》一书，系统地总结了氦原子核（即α粒子）与氦原子核、质子和原子的散射实验结果。重原子核为强相互作用理论的建立奠定了初步的实验基础。 1935年，日本物理学家汤川英树（ ）提出了原子核之间通过光介子交换相互作用的理论图像。 这项工作是他的科学研究处女作。 他一炮而红，获得了1949年的诺贝尔物理学奖。
就在1930年，德国科学家沃尔特·博特和赫伯特·贝克在氦核和铍核的散射实验中观察到一种在电场中不会偏转的高穿透性射线。 ，他们理所当然地将其解释为伽马射线。 两年后，也就是 1932 年，玛丽·居里的大女儿艾琳·约里奥·居里 (-Curie) 和她的丈夫弗雷德里克·约里奥-居里 (-Curie) 重复了这个实验。 。 他们发现，当含有氢原子的物质受到博特和贝克观察到的射线轰击时，会产生高能质子。 那么，这种新型射线是伽马射线吗？
当然不是！ 查德威克和他的导师卢瑟福都不相信约里奥-居里实验结果可以用质子和光子的康普顿散射来解释。 查德威克立即开始设计一项实验，并在三周内进行了测量。 他发现这种新型射线不是伽马射线，而是由一种新粒子组成的束，这种粒子呈电中性，质量与质子相似。 1932年2月27日，英国《自然》杂志发表了查德威克的实验结果。 他的论文题为《中子的可能存在》（a），篇幅不到一页，没有任何公式或图表，只有大约700字。 查德威克在论文的最后明确表示，“迄今为止所有的证据都支持中子，除非在某种程度上放弃能量和动量守恒，否则量子假说（即伽马射线假说）并不成立”。 所以中子被发现是原子核的另一个基本组成部分！ 1935年，44岁的查德威克因发现中子而获得诺贝尔物理学奖。
为什么第一个发现中子的是查德威克而不是约里奥和居里？ 答案很简单：因为查德威克是卢瑟福的学生，他很早就知道自然界中可能存在一种与质子非常相似的强相互作用性质的粒子，它的名字叫中子。 这是一个完美的例子，说明了为什么在大师身边工作更容易成为大师。 相比之下，约里奥·居里夫妇不得不承认，虽然他们同样处于大师（居里夫妇等）云集的科研环境中，但他们对中子的概念一无所知，因此未能做出他的贡献。第一次正确解释了他的实验结果，从而错过了发现中子的好机会。
然而令人欣慰的是，两年后，1934年2月10日，《自然》杂志发表了约里奥·居里夫妇撰写的一篇题为《人工生产一种新放射性元素》的论文（一种新型无线电） 。 这篇论文不到一页，仅约620字和1个化学反应方程式，但却是人工放射性的开山之作。 凭借这一发现，约里奥-居里夫妇以非凡的速度获得了1935年诺贝尔化学奖！ 人们不禁提出一个有趣的问题：如果约里奥·居里夫妇正确理解了1932年的实验结果，并宣布发现了中子丹麦物理学家，那么他们可能会一举获得1935年的诺贝尔物理和化学奖。猛扑下来。 两个奖项？
1935年秋，在获得诺贝尔奖之前，查德威克被聘为利物浦大学教授。 在那里，他推动了回旋加速器的建造，使利物浦成为欧洲核物理研究中心之一。 查德威克也是英美合作曼哈顿计划的关键人物，因为中子的发现是制造原子弹的重要前提之一。 1948年，查德威克回到剑桥大学，担任科维尔和凯斯学院院长。 1958年底，他退休并与妻子搬到北威尔士。 十年后，他们搬回剑桥，离女儿不远。
1974年7月24日，一代物理学大师查德威克在睡梦中去世，享年83岁。
主要参考：
1) A. Brown，《与炸弹：詹姆斯爵士》，出版社，纽约，1997 年。
2) G. Ecker，詹姆斯：他那个时代的领袖，arXiv:2007.06926, 2020。
3) J.，a，129 (1932) 312。
4) F. 和 I. Curie，关于新型无线电，133 (1934) 201。
制作编辑| 卢卡斯
