科学家们是怎样发现中子的存在的？

1932年查德威克-研究-约里奥·居里夫妇 做过的中性粒子实验，他用云室束测定这种粒子的质量，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

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。

1920年，英国物理学家卢瑟福曾在著名的贝克尔演讲中作出“原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子”的理论预言。为了检验卢瑟福的假说，卡文迪什实验室从1921年就开始了实验探索工作。

接手这项工作的正是查德威克。1923年，他得到卢瑟福的赞同，用游离室和点计数器作为检测手段，尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射。在初步作了这些尝试之后，查德威克考虑到中子只有在强电场中形成的可能性，但没有合适的变压器可用。正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究时，柏林的玻特和巴黎的约里奥·居里夫妇相继发表了他们的实验结果。

从1928年起，德国物理学家玻特和他的学生贝克尔就开始用钋发射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发射穿透能力极强的中性射线，强度比其他元素所得要大过十倍。用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬。1930年，他们率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的γ射线。

同时，在巴黎居里实验室，法国物理学家约里奥·居里夫妇也正进行着类似的实验。1932年1月，他们重复了玻特和贝克尔的实验，对这种射线进行了研究。他们在铍板和测量仪器之间放置各种物质。结果发现，把石蜡板插入后，仪器所记录到的效应要比插入前强得多；而且记录到的是质子。没有石蜡板时，是不带电的射线。这表明石蜡在这种铍射线照射下，会发射出大量质子。他们肯定了石蜡发出的是质子流，遗憾的是，他们没有摆脱玻特的错误解释，也把铍辐射看成是γ射线。1月18日，他们发表了相关实验结果和评论。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。

约里奥·居里夫妇的实验结果引起了查德威克的注意，但他并不同意居里夫妇的解释。在铍辐射的研究中，查德威克用这种射线先后辐射轻、重不同的几种元素，结果发现射线的性质与通常的γ射线有所不同。当这种射线轰击氢原子和氮原子时，打出了一些氢核和氮核。由此，他断定这种射线不可能是γ射线。因为通常的γ射线照射到物质上时，物质密度越大，对γ射线吸收得越厉害，而这种射线性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。

当查德威克用这种射线轰击氢原子核时，发现它被反弹回来，说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定的结果，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎与质子的相同。查德威克这时才意识到原来玻特和贝克尔最先观察到的这种辐射应当就是卢瑟福所提出的质子与电子的复合体。他沿用了美国化学家哈金斯的中子这个名称作为对这种粒子的正式命名，并在1932年的《自然》杂志上发表了《中子可能存在》的论文。

15124165444：中子是发现的?
廖豪重 ：答：中子的发现，是原子核物理发展史上的一个里程碑，具有划时代的深远意义。人们搞清了原子核是由质子和中子组成的；重新认识了原子量与原子序数的关系，以及原子核的自旋、稳定性等原子核的特性问题；更重要的是打开了人类进入原子能时代的大门。因此，查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。虽然中子早在1931...

15124165444：“中子”是怎样被发现的?
廖豪重 ：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...

15124165444：引发核裂变的中子“炮弹”是在什么情况下被发现的?
廖豪重 ：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...

15124165444：质子电子中子是谁发现的啊
廖豪重 ：答：中子的发现:1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击硼的实验中发现了中子，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 ...

15124165444：什么是中子,电子和质子,他们是怎么产生的,之间又有什么样的联系
廖豪重 ：答：象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个 相同夸克组成,且都处于基态,自旋方向相同,这种在同一能级 上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的.泡利不 相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的.夸克的 自旋为半整数,是费米子,当然是不能违反泡利原理的.但物理 学家自有办法,你不是说三个夸克全...

15124165444：发现质子的科学家是___,发现质子的核反应方程式是___;发现中子的...
廖豪重 ：答：发现质子的科学家是卢瑟福，发现质子的核反应方程式是： 147N+ 42He→ 178O+ 11H；发现中子的科学家是查德威克，发现中子的核反应方程式是： 94Be+ 42He→ 126C+ 10n。质子(proton)直径约 1.6~1.7×10−15 m ，质量是938百万电子伏特/c²(MeV/c²)，即1.672621637（83）...

15124165444：谁能告诉我,分子.原子.质子.中子.夸克各是哪些科学家发现的?是哪...
廖豪重 ：答：分子：最早提出比较确切的分子概念的化学家是意大利A.阿伏伽德罗 ，他于1811年发表了分子学说 原子：1803年，英国物理学家约翰·道尔顿提出原子说。中子：是1932年英国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。质子：是1919年英国卢瑟福任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮...

15124165444：中子最终是有哪位科学家发现的
廖豪重 ：答：2、几十年前，中子、质子，都是基本粒子。现在已经不算基本粒子，而是复合子；3、在化学中，中子、质子的合称、通称是核子，nucleon；4、在核物理中，它们属于强子 hadron。5、中子是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的，他因此而获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

15124165444：为什么原子中存在中子? 中子在原子中有什么意义啊?
廖豪重 ：答：①1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击硼的实验中发现了中子。 ②单独存在的中子是不稳定的,平均寿命约为16分,它将衰变成质子、电子和反中微子ν。 ③原子核由中子和质子组成,原子核内的中子是稳定的。 ④由于中子不带电,所以容易打进原子核内,引起各种核反应。 ⑤中子的自旋量子数为1/2。 ⑥中子包...

15124165444：中子是什么?
廖豪重 ：答：这里，卢瑟福的假说，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，均未获得成功。1930年，德国科学家波特和贝克用a粒子轰击较轻的元素，特别是轰击铍时，发现从铍中发射出一种贯穿力很强的中性辐射。这两位物理学家认为，这是一种高能电磁辐射，即"高能量...