查德威克發(fā)現(xiàn)中子

1920年，盧瑟福在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子后，向世人提出了一個(gè)預(yù)言：“原子核內(nèi)很有可能還存在一種中性的粒子?！彼踔翞檫@種假想粒子命名為“中子”。這一預(yù)言在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界引起了巨大反響，許多有實(shí)力的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家紛紛投身于尋找這一神秘粒子的研究，就像大航海時(shí)代的探險(xiǎn)家尋找寶藏一樣。

最終，盧瑟福的學(xué)生查德威克成功地發(fā)現(xiàn)了中子，這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是物理學(xué)史上的重要里程碑。查德威克畢業(yè)于曼徹斯特大學(xué)，在那里，他有幸聆聽(tīng)了盧瑟福的課程，從而對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣，從而轉(zhuǎn)專業(yè)學(xué)習(xí)了物理。

盧瑟福曾預(yù)言中子的存在，但查德威克花了十幾年時(shí)間才找到它。這主要是因?yàn)楸R瑟福的預(yù)言中還包含了另一個(gè)觀點(diǎn)：原子核內(nèi)部可能存在電子。由于當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)的β射線（高能電子束）是從原子核內(nèi)射出的，盧瑟福因此假設(shè)原子核內(nèi)也存在電子。他認(rèn)為中子是電子和質(zhì)子的結(jié)合體，這導(dǎo)致查德威克在尋找中子時(shí)走了不少?gòu)澛贰?/p>

1932年，查德威克讀到一篇論文，論文中提到約里奧-居里夫婦在用α粒子轟擊金屬鈹時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種未知的射線。這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了查德威克。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)家們喜歡用α粒子轟擊各種物質(zhì)，以探索其效果。在轟擊金屬鈹時(shí)，人們預(yù)期會(huì)轟出帶正電的質(zhì)子。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被轟出的是一種穿透性極強(qiáng)的射線，而非質(zhì)子。這種射線被稱為“鈹射線”。

約里奧-居里夫婦對(duì)這種鈹射線進(jìn)行了研究。他們?cè)噲D通過(guò)在射線前放置石蠟來(lái)減慢射線速度，以便檢測(cè)。出乎意料的是，鈹射線在通過(guò)石蠟后速度變得更快，且檢測(cè)結(jié)果顯示這束射線實(shí)際上是質(zhì)子。這一結(jié)果令他們感到困惑，因?yàn)樗麄儫o(wú)法理解電磁波如何能夠產(chǎn)生質(zhì)子。

查德威克讀到這篇文章后，意識(shí)到所謂的鈹射線很可能就是他一直在尋找的中子。他進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)自己對(duì)中子性質(zhì)的預(yù)測(cè)進(jìn)行了判斷。結(jié)果證實(shí)，鈹射線確實(shí)是中子，其質(zhì)量和質(zhì)子相近，但不帶電。查德威克很快向世界宣布了盧瑟福12年前預(yù)言的中子的存在。

1935年，查德威克因發(fā)現(xiàn)中子獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同年，約里奧-居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性也獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了盧瑟福的預(yù)言，也為物理學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。

中子的發(fā)現(xiàn)雖然具有里程碑意義，但當(dāng)時(shí)關(guān)于中子是否為基本粒子仍存在爭(zhēng)議。查德威克和盧瑟福曾認(rèn)為中子是電子和質(zhì)子的復(fù)合粒子，這與當(dāng)時(shí)對(duì)基本粒子的定義不符。然而，隨著科學(xué)的進(jìn)步，我們現(xiàn)在知道中子和質(zhì)子都是由夸克組成的，這標(biāo)志著我們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了新的階段。

作者：媽咪說(shuō)科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

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