△新的飞跃——原子核物理学的发展 

因为原子核是原子的核心,它的性质决定着电子的结构和行为,所以研究核物理对进一步认识原子至关重要,而且核物理的深入研究直接导致核能开发和基本粒子研究,因而在20世纪科学革命中占有重要地位。在这一过程中,在科学家们的努力探索下,随着质子、中子被捕捉的精彩一刻的产生,原子核的内部奥秘终于被揭开。

1)质子的发现

卢瑟福模型提出后,大开了人们的眼界,科学家的注意力很快指向原子核内部,怎么打开原子核的大门呢?这是通过对放射性的研究而实现的。早在1886年,德国物理学家戈尔茨坦从一个带孔阴极电子管发现,有一种未知射线穿过阳极孔,方向与阴极射线相反。人们猜测它是和电子相对应的带正电粒子,但在当时并没有认识它的本质。1919年,卢瑟福用速度是2万公里/秒的α粒子作“炮弹”去轰击氮、氟、钾等元素的原子核,结果都发现有一种微粒产生,电量是+1,质量是1,从而发现了他自己所假设的质子。质子的含义,即是“第一个”、“最重要”的意思。1920年,卢瑟福又极富远见地设计了中子的假说。他认为,如果原子核完全由质子组成,那么某种元素的原子核所带的正电荷,在数值上一定等于那种元素的原子量;因为元素的原子量,主要是由原子核决定的。核外原子的质量是微不足道的。但是,事实上元素的原子量总是比它的原子核所带的正电荷数大一倍或一倍以上。这说明原子核里除了质子这外,必然会有一种质量和质子相仿,但却不带电的粒子存在。卢瑟福把它叫做“中子”。他选择了寻找中性粒子的正确道路,这是富有远见的科学步骤,为日后中子的发现奠定了基础。

2)中子的发现

查德威克是一个视名利为粪土的科学家,在他成名后,得到国内外十多所大学的博士学位,以及一些国外科学院院士的头衔。1945年,英国王室决定封他为爵士,他竟把王室通知书扔进了垃圾筒。后来女王伊丽莎白二世送来了御笔专谕,他才不得不去伦敦接受封爵。他曾说:“学者有时需要适可而止的鼓励。但实际上,那些鼓励根本无助于学者的智慧。所以我要奉劝世人,不要把学者捧上了天,更不应该把他们当成工具。”他在皇家学会举行的大会上,痛心疾首地呼喊:“剥夺科学家的时间,等于公然摧残人类的知识和文明。”

1903年,约里奥·居里夫妇用α粒子轰击钋、锂、硼原子核产生出一种神秘的穿透力很强的辐射钱。1931年,他们用这种辐射线击破原子核,得到一种不带电的粒子。他们假定这种中性粒子为中子。但是,这种中性粒子流有足够的能量在碰撞氢原子核时,将氢核打出而获得高速的质子流吗?伊·居里和约里奥·居里却无法回答这个问题。就在这段时间,查德威克,从老师卢瑟福那里接受了存在中性粒子的想法,多次想从实验中寻找这种粒子,同老师一样,未能成功。得到玻特和贝克尔的实验报导,特别是又接到约里奥—居里夫人的实验报告后,真如天赐良机,查德威克沿着卢瑟福思路对以上实验提出不同看法。只有本身相当重的粒子,才能从原子核里打出质子。以上实验报导所称得到的中性ν射线或光子,都判断错了,它应当是寻求已久的中子。卢瑟福的科学预言又一次取得了胜利。查德威克进行了反复的实验,进一步查明这种强穿透力新射线不会被磁场偏折,确系中性的。1932年2月,查德威克在英国《自然》杂志上发表文章,宣告中子的发现。

查德威克对中子的发现是原子核物理发展史中的一个重要里程碑,它像一把钥匙,打开了通向原子核奥秘的大门。中子的发现,给人们探索原子世界创造了更好的条件。查德威克因这个重大发现,于1935年获得了诺贝尔物理奖。还获得了法拉第奖、富兰克林奖等奖章。当他获得诺贝尔奖时,约里奥·居里为错过良机而抱憾终生。据说他打着自己的脑袋说:“我真笨呀!是真笨呀!”卢瑟福曾到法国讲学,讲到存在中子的可能性,约里奥·居里没有去听,认为不如自己做的实验,后来他很后悔错过那次听讲机会。由此可见,学术交流的重要性和学术思想的重要性,也再次证明,机遇只降临给有准备的头脑。

以后,其他人继续实验,从不同元素打出来了中子,这表明中子是原子核的基本组成部分。中子的发现不仅使人们对原子内部结构的认识又深化了一大步,而且为人类实现核变,利用原子能提供了可能,大大促了实验核物理的发展。因而,中子的发现被誉为原子科学中继放射性之后的第二个重大发现。它标志着原子核的研究开始进入了一个新的时代。

3)原子核的组成

随着电子、质子、中子的相继发现,对原子核组成的认识已是水到渠成。1932年,科学家总结了前人的研究工作,提出了原子核结构的理论:①原子核是由质子和中子组成的;②一个质子的质量是一个氢单位、电量是一个单位正电荷。元素原子核里质子的数目等于核所带的正电荷数,也等于元素在门捷列夫周期表里的原子序数,又等于核外电子数;③一个中子的质量是一个氢单位,电量是零,中子数目等于原子质量数与原子序数之差。从此,一门研究原子核结构及其运动的原子核物理学诞生了。之后,人们进一步了解到基本粒子的结构,从而又诞生了一门基本粒子物理学。