“中子”是怎样被发现的？

中子的发现



在物理学史上，中子的发现经历了一段曲折而富戏剧性的认识过程。它曾与著名的实验物理学家约里奥·居里夫妇擦肩而过，而给这对夫妇带来几多遗憾。今天，重温这段历史，仍使我们受到不少启迪。

中子的发现是与人们对原子核的结构的探索分不开的。

1． 质子的发现和原子核的“质子—电子”模型假说

1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型，这个模型得到玻尔的支持和发展，很快得到物理学家们的公认。此后，一系列问题又摆在物理学家们的面前：原子核是由什么构成的？原子核还有没有结构、能不能再分？

1919年，卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子，第一次实现了原子核的人工嬗变。当时人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子，这样在本世纪20年代，人们普遍认为，原子核是由质子和电子组成的，并假定，原子量为N、原子序数为Z的核应由N个质子、N—Z个电子组成的，这个原子核又与Z个轨道电子组成中性原子，这就是原子核的“质子—电子”模型。但这个假说却遇到了一定的困难。困难之一：电子究竟以什么状态在原子核内。在“质子—电子”模型假设中，电子是以个体方式在核内存在的，原子核的半径估计为 ，当N=238时R约为8.7 厘米，而电子的经典半径是2.8 厘米，作为个体部分的电子竟与核的整体几乎相差无几！这是不可想象的；困难之二：根据海森堡1927年提出的测不准原理，把电子束缚在很小的核内，它的动量将有很大的不确定性，因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒；困难之三：它与量子力学中的多体统计与自旋理论相矛盾。1925年，乌伦贝克和古德斯密特根据光谱提出，电子具有自旋，它的量子数等于1/2，质子的量子数也等于1/2，这样对氮核来说，由于它有14个质子和7个电子，因而这些粒子的总自旋数应取分数值，然而实验表明，氮原子核的自旋等于1。对于后两个困难，不少著名物理学家怀疑是量子力学不适用于原子核内部，而丝毫不怀疑“质子—电子”模型本身存在问题。

2． 卢瑟福关于“中子”的预言

在“质子—电子”模型的后两个困难还没有出现时，针对第一个困难，卢瑟福就指出（1920），如果把一个质子和一个电子作为一个复合体，看成是单独的一个粒子，理论的矛盾就能够得到解决，这种“质子—电子”复合体应当是电中性的。他预言道：“在某些条件下，一个电子有可能更紧密地同氢核相结合，从而形成一个中性偶极子。这样一个原子将具有很异常的特性。它的外部电场实际上将等于零，除非很靠近它的核。因此，它能够很自由地通过物质。用分光镜来探测它的特性可能是困难的，把它保存在一个密闭的容器中也是不可能的。另一方面，它应当很容易地进入原子结构中，或是同核结合，或是被核的强场分裂。”卢瑟福声称：“这种原子的存在对于解释重元素的原子核的组成看来是必不可少的”。20年代初，卡文迪什实验室的研究者们，曾试图使强电流通过氢放电管来探测这种假设的“中子”的生成，均未获成功。

3． 博特的铍辐射实验

1930年，德国物理学家博特（w.w.G.Bothe,1891~1957）和贝克(H.Becker)用α粒子轰击较轻的元素，特别是轰击铍时，发现从铍中发射一种强度不大但穿透力极强的射线。这种射线在电场和磁场中都不发生偏转（因而不带电），在穿透2厘米厚的铅板之后，射线的强度只减弱13%。当时把这种射线称作是铍辐射。根据当时已经发现的各种辐射的研究，α射线和β射线都没有这么强的穿透力。唯一能穿透铅板且不带电的是γ射线，因此这两位物理学家错误地认为他们发现的是高能γ射线。根据这种射线在透过铅板后强度减弱的情况，他们推算出这种射线的能量约为10兆电子伏特左右。

4． 约里奥·居里夫妇的铍辐射轰击石蜡实验

1932年，约里奥·居里夫妇重复了博特的铍辐射实验，他们的实验条件很好，有强大的射线源，很容易就得到与博特相同的结果。为了测量物质对铍辐射的吸收，他们把各种物质放在铍板与辐射测量仪之间，意外地发现，当把石蜡放在铍辐射经过的路径上时，辐射测量仪记录到的粒子数不仅没有减少，反而比不放石蜡时多得多。经过鉴定，他们发现，从石蜡里飞出的是质子。这表明，铍辐射从石蜡中打出了质子。根据打出的质子的速度，他们推算出这种射线的能量是50兆电子伏特，这与上述10兆电子伏特相去甚远。然而，约里奥·居里夫妇还是沿着博特的错误思路思考，他们把这一现象解释为光子同质子的康普顿散射。1932年1月18日，约里奥·居里夫妇发表了他们的实验结果和评论。由于他们对理论的轻视，使他们白白失去了一次发现中子的机会。

5．查德威克发现中子

约里奥·居里夫妇的论文传到英国，英国物理学家查德威克看了他们的论文并把论文的内容告诉了卢瑟福。据说卢瑟福听了他们的解释时大声喊道：“我不相信”， 查德威克也不相信这种解释，他经过一番思考，随即意识到：反冲质子有这么大的能量绝不可能是光子碰撞的结果，而很可能是十年前卢瑟福所预言的“中性粒子”碰撞所致。他用钋加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素，结果发现这种射线的性质与通常的射线有所不同，通常的射线照射到物质上，物质密度越大，对射线吸收的就越厉害。而这种射线的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。查德威克用这种射线去轰击氢原子时发现，氢原子核被弹射出去，这说明这种射线是具有一定质量的粒子流。由于这种粒子流不带电，电场和磁场对它不起作用，所以不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量。查德威克认为，这种粒子穿过物质时它将与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而把能量传递给原子核，使被碰撞的原子核运动，测出被碰原子核的速度，就可根据动量守恒和能量守恒把这种粒子的质量算出来。通过对氢原子和氮原子的轰击，他算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等，他把这种射线的粒子称为“中子”

6． 中子发现的意义

中子的发现对核物理学的发展有巨大而深远的影响。中子是一种全新的粒子，它的发现，使得建立一种没有电子参与的原子核模型成为可能，也解决了量子力学是否适用于原子核内部的问题。就在中子发现不久，著名物理学家海森堡就发表论文指出，量子力学同样适用于原子核内部，并指出原子核是由质子和中子构成的。由于中子不带电，它和原子核之间没有库仑斥力，它可以到达所有的原子核，使促使原子核嬗变的最有效工具；中子的发现还导致了对核力的研究，促进了粒子物理学的发展。

7． 几点启示

“中子”这个概念最初是卢瑟福为解决理论面临的困难提出来而后又在实验中找到的。查德威克所以获得成功的原因之一是，他在思想上对中子的概念早有考虑。在此之前，他曾用强放电或其他方法企图产生中子，未获成功，所以当中子出现时他能立即清楚而令人信服地发现了它；而约里奥·居里夫妇，由于没有这种思想准备，中子显然在他们的实验中出现了，可他们却不认识它。这正如约里奥所说：“要是我们夫妻俩听过卢瑟福的贝克利演讲的话，就不会让查德威克捷足先登了。”这从一个侧面也反映出在科学研究中学术思想的交流是多么必要。

一颗孤立的中子星被发现，自旋并不快，磁能也很低

中子的发现：

1919年卢瑟福通过用α粒子轰击氮原子放出氢核，而发现了质子。1920年他在一次演说中谈到，既然原子中存在带负电的电子和带正电的质子，为什么不能存在不带电的“中子”呢?他当时设想的中子是电子与质子的结合物。

1930年，德国物理学家博特和贝克尔用刚发明不久的盖革缪勒计数器，发现金属铍在α粒子轰击下，产生一种贯穿性很强的辐射，当时他们认为这是一种高能量的硬γ射线。

1932年约里奥·居里夫妇重复了这一实验，他们惊奇地发现，这种硬γ射线的能量大大超过了天然放射性物质发射的γ射线的能量。

同时他们还发现，用这种射线去轰击石蜡，竟能从石蜡中打出质子来。约里奥·居里夫妇把这种现象解释为一种康普顿效应。

但是打出的质子能量高达5.7MeV，按照康普顿公式，入射的γ射线能量至少应为50MeV，这在理论上是解释不通的。查德威克把这一情况报告了卢瑟福，卢瑟福听了后很兴奋激动，但他不同意约里奥·居里夫妇的解释。查德威克很快重做了上面的实验。

他用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核。由此，他断定这种射线不可能是γ射线。因为γ射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量。

他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解释。

他用仪器测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。查得威克还用别的物质进行实验，得出的结果都是这种未知粒子的质量与氢核的质量差不多。

由于这种粒子不带电，所以叫做中子。后来更精确的实验测出，中子的质量非常接近于质子的质量，只比质子质量约大千分之一。

查德威克将他的研究成果写成论文“中子的存在”发表在皇家学会的学报上。查德威克从重复约里奥·居里夫妇的实验，到发现中子，前后不到一个月。

这一方面是由于前人的工作为他打下了基础，主要的还是由于他能打破常规，有大胆的创新精神，敢于破除传统思想的束缚。

而约里奥·居里夫妇虽然已经遇到了中子，由于没有作出正确的解释，而与中子失之交臂，错过了发现中子的机会。

扩展资料

中子的概念是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福提出，中子的存在是1932年詹姆斯·查德威克用a粒子轰击的实验中证实的。

其质量为 1.6749286 ×10-27千克（939.56563兆电子伏特），比质子的质量稍大（质子的质量为1.672621637（83）×10-27千克），自旋为1/2。

自由中子是不稳定的粒子，可通过弱作用衰变为质子，放出一个电子和一个反中微子，平均寿命为896秒。中子遵从费米-狄拉克分布和泡利不相容原理。

以往曾经将中子列为基本粒子的一员，但现今在标准模型理论下，由两个下夸克和一个上夸克构成，所以它是个复合粒子。

中子以聚集态存在于中子星（中子星是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。）中。

太阳系里的中子主要存在于各种原子核中，元素的β衰变就是该元素中的中子释放一个电子变成上一个元素序列元素的一种变化。

中子可根据其速度而被分类。高能(高速)中子具电离能力，能深入穿透物质。中子是唯一一种能使其他物质具有放射性之电离辐射的物质。

此过程被称为“中子激发”。“中子激发”被医疗界，学术界及工业广泛应用于生产放射性物质。

参考资料：百度百科-中子

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

13466673832：查德威克是如何发现“中子”的?
袁咸柴 ：答：至此，查德威克把直观认识、逻辑思维和实验研究结合起来，大胆地指出这种铍辐射就是卢瑟福曾预言而他自己寻觅已久的“中子”。1932年2月17日，查德威克宣布发现“中子”。

13466673832：“中子”是怎样被发现的?
袁咸柴 ：答：中子的发现：1919年卢瑟福通过用α粒子轰击氮原子放出氢核，而发现了质子。1920年他在一次演说中谈到，既然原子中存在带负电的电子和带正电的质子，为什么不能存在不带电的“中子”呢?他当时设想的中子是电子与质子的结合物。1930年，德国物理学家博特和贝克尔用刚发明不久的盖革缪勒计数器，发...

13466673832：费米是用什么方法发现中子的?
袁咸柴 ：答：10月22日上午，费米和同事们找来一大块石蜡，在上面掏个洞，把中子源放入洞内去辐照银圆筒，然后再用盖革计数器测量它的放射性。结果，计数器发疯似地“喀、喀”响起来。石蜡竟把银的人工放射性一下子提高了上百倍。中午，费米躺在床上，上午实验的每个细节一幕幕呈现在眼前。他思考着如何解释石蜡...

13466673832：引发核裂变的中子“炮弹”是在什么情况下被发现的?
袁咸柴 ：答：中子被发现以后，科学家们就利用它去轰击各种元素的原子核，来研究原子核破裂时的反应。但命中率太低，多少次实验毫无结果，以致被誉为“原子物理之父”的卢瑟福失去信心地断言：人类任何时候也休想利用原子能！1934年春，意大利物理学家费米用中子去轰击铀原子核，发现铀被强烈地激活了，并产生出许多种...

13466673832：质子、中子是谁发现的 核反应方程分别是什么
袁咸柴 ：答：质子由卢瑟福1918年发现。尽管卢瑟福预言了中子的存在，但是，直到12年以后的1932年，英国物理学家查德威克才在卡文迪许实验室里发现了中子。卢瑟福用α射线粒子轰击氮核首次实现了原子核的人工转变。这是发现质子的核反应方程式：查德威克用α射线粒子轰击铍，这是发现中子的核反应方程式 ...

13466673832：谁发现了中子
袁咸柴 ：答：一个月以后，这个谜被卢瑟福的助手、英国物理学家查德威克解开了：铍放出的不是电磁波，其质量几乎与质子相同，是不带电的中子。结果，查德威克因发现了中子而获得了1935年度的诺贝尔物理奖。像约里奥夫妇一样贻误发现中子良机的还有奥地利女物理学家梅特涅和她的中国学生王淦昌。1930年，王淦昌在柏林大学...

13466673832：中子是在什么时候发现的?
袁咸柴 ：答：中子是1932年B.查德威克用a粒子轰击的实验中发现，并根据E?卢瑟福的建议命名的。中子电中性，其质量为1.6749286×10^27千克（939.56563兆电子伏特），比质子的质量稍大。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分，虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的，但是如果没有中子，由于带正电荷质子间...

13466673832：中子是如何发现的?
袁咸柴 ：答：结果发现，这种粒子的质量比质子微重，而且不带电荷。之后他称这种中性粒子为-中子。图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit 量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）注：位元即比特 ...

13466673832：1930年以后,中子是怎么被发现的?
袁咸柴 ：答：1930年以后，卢瑟福的学生，英国科学家查德威克捕捉了这一良机，对这种现象做了进一步的研究。他发现，这种射线的粒子的质量和质子非常接近，是一种不带电的中性粒子，于是命名为“中子”。中子就这样被一位年轻的学者发现了。

13466673832：中子是发现的?
袁咸柴 ：答：查德威克认为，这种粒子穿过物质时它将与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而把能量传递给原子核，使被碰撞的原子核运动，测出被碰原子核的速度，就可根据动量守恒和能量守恒把这种粒子的质量算出来。通过对氢原子和氮原子的轰击，他算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等，他把这种射线的粒子称为“中子”