微觀粒子發現史之四：中子發現了，這卻是居裡夫婦的傷心事

盧瑟福發現質子之後覺得有點不對勁，怎麼說呢？就拿他最熟悉的α粒子來說吧。現在我們都知道，α粒子就是氦原子核，帶兩個正電荷，這個好解釋，因為氦原子核有兩個質子嘛，可是α粒子質量為四倍的氫原子核，氫原子核就是質子這個盧瑟福已經知道了，要是這樣的話，α粒子的質量應該是兩倍的氫原子核呀，多出來的質量是哪來的呢？

盧瑟福覺得在原子核內部除了質子應該還有一種粒子，這種粒子質量和質子差不多，不過不帶正電荷也不帶負電荷，那就是呈中性了，盧瑟福把這種粒子叫做中子。

這就是盧瑟福的偉大之處，做完了實驗之後都會深入思考，上次做完α粒子散射實驗後想了想就提出了原子行星模型，這次發現了質子後，又預言了中子，這就是文武雙全的物理學大師。

可中子在哪呢？這種事情不要問盧瑟福，他專管設計實驗並深入思考，至於這些粗活雜活他是不管的，找中子這事就交給了學生查德威克。

子曾經曰過&34;，這句話對盧瑟福同樣適用，他的學生中有光芒萬丈的玻爾，此公專門和愛因斯坦做對，關鍵是還贏了愛神，也有查德威克這種資質平平的老實孩子。

查德威克來自英國，中學時代沒有表現出過人天賦，有時候甚至不能按時完成物理作業，不過他做事一絲不苟，堅信只要付出就有回報，這就是荀子所說的&34;。

說起來這還真有點巧合，老師盧瑟福實行孔夫子的教育理念，學生查德威克信奉夫子傳人荀子的想法，真不愧是師徒呀，最狠的還是大師兄玻爾，乾脆把道家的太極圖作為了家徽，看來他們師徒都和我們古老東方有點聯繫。

雖然查德威克資質平平，但是盧瑟福還是在一眼看中了他，原因是查德威克視力好，有點滑稽嗎？這偏偏是真的。

早就說過了，盧瑟福作為老師專管設計實驗，比如α粒子散射實驗就是由助手蓋革（就是發明蓋革計數器的蓋革）和學生馬斯登親手做的，不過這倆人天天盯著也累啊，盧瑟福就找了幾個視力好的大學生來看螢光屏，於是查德威克就入選了。

這不但對查德威克，對於任何人來說都是千載難逢的好機會呀，想一想當年的法拉第吧，那可是給老闆戴維當了好幾年僕人才有機會進實驗室呀，這基本上就相當於求學期間就參與了國家實驗室，還是頂級尖端項目，這也就後來的費曼參與曼哈頓計劃可以相比吧。

就在查德威克躊躇滿志準備大顯身手的時候，一戰爆發了，查德威克不幸地成為了戰俘。可是即便在德國戰俘營，也阻擋不了查德威克進軍科學的雄心壯志。查德威克在戰俘營裡聯合了幾個戰俘成立了一個學習小組，大家一起研究物理學，這種精神太讓人們佩服了，以至於德國科學家都看不下去了，德國科學家寫信給戰俘營，要求戰俘營給予查德威克研究的自由。

一戰結束後，查德威克回到了英國，投身到盧瑟福門下。他很開心，終於不用在戰俘營討論物理了，盧瑟福更開心，終於可以做實驗了，按照慣例，盧瑟福設計實驗，苦活累活查德威克幹，他們一起發現了質子，盧瑟福還預言了中子的存在。

可是發現中子可沒有電子質子那麼簡單，電子質子都帶有電荷，都可以通過電場磁場偏轉，這在威爾遜雲室中可以清晰看出軌跡來，而中子不帶電荷，就是一條直線，這怎麼看？電子質子都可以測量一下荷質比，就是攜帶電荷和質量的比值，當初無論電子質子的發現這都是一個重要的參數，中子不帶電荷，哪裡有荷質比呀。

師徒兩個想了無數的辦法也沒有找到中子，不過別人卻有一些發現。

德國物理學家波特和學生貝克爾用α射線轟擊了鈹元素，想看一下有什麼東西出現，這種手法是不是很熟悉呀，對的，盧瑟福靠這招推翻了老師老湯姆孫的西瓜模型，提出了自己的原子行星模型，還是靠這招轟擊了氮氣，結果發現了質子，於是大家都想試一下，結果波特還真發現了點東西。

波特發現的是一束穿透力非常強的中性射線，注意了啊，這是中性射線，什麼是中性的呢？當然是盧瑟福預言的傳說中的中子，這就是未來的諾貝爾獎呀，可是波特不這麼認為，因為還有一種東西也是中性，那就是γ射線，γ射線其實就是波長極短頻率極高的電磁波，班納博士就是由於照射了γ射線變成綠巨人的，γ射線就是光子，當然是中性的，波特認為這種中性射線就是γ射線。

為了保險起見，波特還是測量了一下這種中性射線的穿透力，就是用鉛來測試射線的吸收率，還記得嗎？超人的眼睛無法穿過鉛，那是由於超人的眼睛發射的就是γ射線，而鉛對γ射線吸收率非常高。

波特發現這種射線可以輕鬆穿透鉛，這就是說這肯定不是γ射線了，可是波特固執地認為這是一種特殊的γ射線，這是生生地把諾貝爾獎往外推呀。

波特還不是最遺憾的，最遺憾的是大居裡夫婦。

要說諾貝爾獎家族，居裡家是不可超越的巔峰，別人家最多父子倆獲獎，象兩輩子跟電子較勁的湯姆孫父子，還有玻爾父子，人家居裡家是六人次獲獎，他家也才總共六個人，平均一人一次，老居裡夫婦就不用說了，尤其是居裡夫人，自個就獲了兩次，大居裡夫婦也得過，小女兒倒是沒有獲獎，可小女婿也得了，不過小女婿不是科學家，人家得的是和平獎。

是不是有點嘆為觀止了，其實居裡家族還有可能更上一層樓的，達到平均兩次的，這都怪大居裡夫婦高風亮節，楞把諾貝爾獎向外推，還推了三次，中子的發現就是第一次。

大居裡夫婦也發現了這種中性射線，他們走的比波特還遠，他們用中性射線轟擊了石蠟，石蠟也發出了一種射線，這種射線偏轉了靜電計，這說明這種射線是帶電了，他們又用磁場檢測了這種射線，也發生了偏轉，由於石蠟中還有氫元素，測定荷質比後他們確定石蠟中發出來的射線就是質子流。

能把質子都轟擊出來的，至少得和質子質量差不多吧，這都明顯就是中子了，可是大居裡夫婦認同了波特的說法，認為這是一種γ射線，他們發布了自己的實驗結果。

這個時候，查德威克還在為尋找中子殫精竭慮，已經整整十二年了，還沒有任何線索，看到大居裡夫婦的文章後，他立刻告訴了老師盧瑟福，盧瑟福表示大居裡夫婦的實驗有問題，吩咐查德威克立即照樣做實驗，在匯報給盧瑟福之前，查德威克已經做好了實驗的準備工作，老師一聲令下，查德威克開始了實驗。

查德威克的實驗結果和大居裡夫婦的是一樣的，不過查德威克對實驗結果的分析卻和他們夫婦倆不一樣。

首先查德威克認為這種中性射線不可能是γ射線，γ射線其實就是一種高頻率的光子，查德威克測出了中性射線轟擊石蠟後石蠟發射的質子流的能量，他的方法是在石蠟板和游離室之間放置不同厚度的鋁片，記錄下質子流恰好被鋁片完全吸收時的鋁片厚度，根據鋁片厚度就可以計算出質子流的能量，這個方法就是盧瑟福發現質子時用過的方法，這就叫一脈相承，用這種方法查德威克知道了質子流的能量就是5.7×10^6電子伏特，根據能量守恆定律和動量守恆定律，可以推算出要是中性粒子流是γ射線的話，依據愛因斯坦對於光電效應的解釋，光就是一種光子，那麼就可以根據能量守恆定律和動量守恆定律計算出γ射線的能量，γ射線的能量一部分傳遞給了質子流，一部分變成了低頻率的光子應，應用康普頓效應來計算，那麼γ射線的能量就高達55×10^6電子伏特，這還無所謂呀。

接著查德威克又做了一個對照試驗，問題就出來了。

查德威克又用這種中性射線轟擊了氮氣，這和盧瑟福發現質子的操作如出一轍，在威爾遜雲室中觀察到了氮原子核的反衝軌跡，通過反衝軌跡，可以知道氮原子核的能量為1.2×10^6電子伏特，依據上面的計算方法再計算一次，不可思議的結果出現了，要是中性射線就是γ射線的話，那麼這種情況下能量就達到了90×10^6電子伏特，幾乎要高了一倍了。

這就意味著，中性射線的能量隨著轟擊原子核的大小而增高，轟擊小原子核時能量低，轟擊大原子核時候能量高，可是這是一種射線呀，怎麼可能有兩種能量呢？

真相只有一個，要麼是能量守恆定律錯了，要麼這種中性射線不是γ射線，而能量守恆定律是不可能錯的，唯一的真相就是這種中性射線不是γ射線，而是傳說中的中子。

在大居裡夫婦發表論文一個月後，查德威克發表了論文《中子可能存在》。

不過這還是用反證法證明的，只是說了這種中性射線不可能是γ射線，可也沒有確切證明這就是中子呀，看來還得繼續實驗。

這次實驗就是要得出中性射線的質量，實驗方案是這樣的，用中性射線分別和氫原子核和氮原子核碰撞，應用能量守恆定律和動量守恆定律來計算這種中性射線的質量。

先看一下中性射線和氫原子核碰撞的結果

這是中性射線和氫原子核碰撞後的能量守恆方程和動量守恆方程，其中m是中性射線的質量，v0是中性射線的速度，mH是氫原子核的質量，vH0是氫原子核碰撞前的速度，v1是中性射線碰撞後的速度，vH是氫原子核碰撞後的速度。

再來看中性射線和氮原子核碰撞的結果。

這是中性射線和氮原子核碰撞後的能量守恆方程和動量守恆方程，其中m是中性射線的質量，v0是中性射線的速度，mN是氮原子核的質量，vN0是氮原子核碰撞前的速度，v2是中性射線碰撞後的速度，vN是氮原子核碰撞後的速度。

兩組方程聯立就可以得出結果。

由於氫原子核氮原子核在碰撞之前都處於靜止狀態，當然了，都會有點分子熱運動，基本上可以忽略不計，因此vH0=0和vN0=0，這樣結果就變成了：

把氫原子核的速度和氮原子核的速度比較一下，就有了下面這個式子：

而氮原子核的質量是氫原子核的14倍，這個不但現在我們清楚，當時查德威克也知道，於是公式又變成了：

好了，現在只需要知道碰撞後氫原子核和氮原子核的比值就可以了，這個事可以測量出來的，對於一直跟著盧瑟福混的查德威克來說，這不是什麼太難的事情，查德威克測出來兩者的比值就是7.5，這樣解一個簡單的方程就可以知道中性射線的質量了。

接一下這個方程就知道了m=mH，而mH就是氫原子核就是質子的質量，可以知道這種中性射線的質量基本上和質子相同，這就是盧瑟福預言的中子。

兩個月後，查德威克又發表了一篇論文，論文題目就是《中子的存在》，此時，查德威克已經確認這種中性射線就是中子了。

據說約裡奧居裡就是大居裡夫婦中的夫看到查德威克的論文後長嘆一聲：&34;。

真的是大居裡夫婦太笨了，還真不是，作為老居裡夫婦的女兒女婿作為諾貝爾獎獲得者，怎麼可能笨呢？那麼到底是什麼讓他們夫妻倆錯失了發現中子的機會呢？是他們的研究態度。

偉大的居裡夫人在科學研究由兩點為世人敬仰，一是如老黃牛一般不辭勞苦的孜孜不倦，一是鷹一樣的敏銳觀察力，大居裡夫婦繼承了居裡夫人的老黃牛精神，卻沒有繼承鷹一般的觀察力，可以說大居裡夫婦是一對老黃牛，還是那種只顧低頭拉車不抬頭看路那種老黃牛。

1920年，盧瑟福預言原子核內部可能還存在中子後，還曾經專門到法國就此問題演講，可是大居裡夫婦認為這只不過是科普演講，沒有去聽盧瑟福的演講，這就讓他們錯失了一次機會，盧瑟福都已經把路標畫出來了，他們都懶得看一眼。

而查德威克所在的卡文迪許實驗室卻是群英薈萃，號稱&34;，意思是在卡文迪許實驗室實驗室混過的，基本上都能撈個諾貝爾獎。

查德威克重複了大居裡夫婦的實驗後，但是對中子的存在還有點拿不準，他把想法對同事們一說，大家紛紛提出建議，因為大家早就對中子的存在深信不疑，有人說用威爾遜雲室，有人說用質譜儀，而發明雲室的威爾遜本來就是卡文迪許實驗室的，算起來還是查德威克的師叔，發明質譜儀的阿斯頓也是卡文迪許實驗室的工作人員，同時這兩位也都是諾貝爾獎的獲獎者。

與其說是查德威克戰勝了大居裡夫婦，不如說是卡文迪許實驗室戰勝了大居裡夫婦。

和大居裡夫婦同樣遺憾的還有中國的兩彈一星元勳中國核科學奠基人王淦昌先生，王淦昌先生曾經建議他的老師梅特涅做一下這方面的實驗，可是梅特涅卻沒有聽這位睿智學生的建議，看來有一位好老師也很重要。

中子的發現為查德威克帶來了諾貝爾獎，也拓寬了人們的視野，從此後人們知道了原子核由質子和中子構成，還有更重要的一點，之前探究原子內部的秘密，都是用α粒子，發現中子以後就可以用中子了，這就觸發了原子間的鏈式反應，對的，這就是後來製造原子彈的基礎。