查德威克发现中子得诺贝尔奖,小居里夫妇与

在年卢瑟福发现了质子之后向世人留下了一句话,他说原子核内部很有可能还存在一种中性粒子,中子,正是这一句话,这就相当于是掀起了大航海时代啊,当时有实力的实验物理学家几乎都去找宝贝了,主要有这么三个机构,第一个那当然是由卢瑟福带领的剑桥大学卡文迪许实验室,此时的卢瑟福已经是50岁了,不过他手底下却有一堆年轻而优秀的小伙子,这其中就包括查德威克。

查德威克

第二个机构是法国巴黎的雷研究所,就是居里夫人曾经工作的地方,不过当时的领军人已经是小居里夫妇,就是约里奥居里夫妇,法国人在姓氏上,随娘家姓,这个习俗就挺有趣儿。准确来说这不是习俗,从16世纪开始,这是法国人的法律,只有大儿子能随父姓,就其余的孩子,要么随母亲姓,要么随妻子姓,甚至还可以说结婚的时候谁随的份子钱最多就随他姓。

约里奥居里夫妇

这可不是开玩笑,这确实是当时的法律,那个时候法国也是封建帝国,后来法国大革命之后这项法律就取消了,不过人们都习惯了,一直到了20世纪末才逐渐的改过来,小居里夫妇这二位是自愿用了双方的姓氏,她老公姓约里奥,这小伙子曾经是居里夫人的助手,他妻子姓居里,所以他俩结婚之后就都姓约里奥居里。

原子图

第三个机构是德国柏林国家物理工程研究所,主要的人物是瓦尔特博特,这位是普朗克的学生,年的诺贝尔物理学奖得主,这三个机构在当时人们看来那是最有可能发现中子的地方。那咱们就倒过来,一个一个的说一下,先说德国,咱们之前写过,自从阿尔法粒子被发现之后,人们可开心了,这东西物美价廉呀,于是就用阿尔法粒子轰击别的原子,看看能啥样,这最成功的人就是卢瑟福,他发现又不管轰击什么都有一种带正电的粒子能被轰出来就是质子吗。

瓦尔特博特

有一天,瓦尔特博特和他的一个学生叫做贝克,他俩也用阿尔法粒子在做实验,轰击铍,元素周期表,氢氦锂铍硼原子序数4,相对质量是9的金属铍,按照以往的结果肯定会有质子能被轰出来,结果他俩发现被轰出来的不是质子,而是一种穿透性特别强的射线,可以穿透几厘米厚的铜板,最主要的是它还不带电。博特就懵了,我没见过它,就给起了个名儿,叫做铍射线。仔细一想,穿透性强不带电,咱们之前在这个天然放射性的提到过一种射线,还记得不?伽马射线,所以啊,伯特就猜测这个铍射线就应该是伽马射线的一种。但实际上伽马射线也没有这么强的穿透力,咱们之后再说。

黑洞形成时释放的伽马射线

这个消息就传到法国了,约里奥居里夫妇就听说了,他俩就决定研究研究,法国的雷研究所这个实验器械都很给力,这居里夫人曾经用的嘛,所以小居里夫妇很快就做出了和这个博特同样的实验。

不过他俩就多想了一层,这么猜测它是伽马射线那不行啊,都检测检测看看性质啥的,但是呢,这射线又太快,就想给它变慢一点儿,然后再用这个检测器检测,这变慢的方法也是简单粗暴,就是直接在这个射线和盖革计数器中间挡着一块石蜡,预想的结果是,铍射线通过石蜡先被吸收一部分能量,然后再进入这个检测器,那速度不就慢下来了吗?结果却让他俩大吃一惊,铍射线通过石蜡之后,不但没有减速,相反变得更快了,更加奇怪的是检测器的这个结果显示,这束射线居然是质子,那小居里夫妇,他俩当时就想,一束电磁波通过石蜡变成了粒子,这就肯定是碰撞啊,也就是这束铍射线打到石蜡上被吸收了,然后把质子给打出来了。

人造伽马射线

我们现在很容易想明白,这铍射线它肯定不是电磁波,首先电磁波的净质量是零,就算是动质量,它也不可能有那么高的能量能把质子打出来,有人会说光电效应,那不就是电磁波把电子打出来了吗?那是因为电子本身就很轻,在加上电子它在这个原子的最外层了,有一些自由电子,本身就是乱跑的,不稳定,所以电子很容易被打出来啊,这很正常。但如果说你要想把原子内部这个原子核里的质子给打出来,那肯定不是电磁波干的事,举个例子,就好比拿一个瓶盖儿去打铅球你怎么可能把这个铅球给他打飞呢?对吧,结果这小居里夫妇居然就没想到,他咋就没想到能不能是一种新粒子呢?他俩就连粒子都没想到,还跟电磁波跟它较劲呢,说估计是一种新型的伽马射线,年1月份就把自己的实验成果和想法就都发表了出去,你看到手的一块肥肉就这么飞走了。

盖革计数

他俩的这篇文章就从法国传到了英国,就被卢瑟福的学生查德威克看到了,这位查德维克当年毕业于曼彻斯特大学,他在曼彻斯特大学读书的时候刚好是卢瑟福在那当教授,本来他是学数学的,偶然一个机会听了卢瑟福一节课,觉得这个物理有意思,他就跟着卢瑟福改了专业学习了物理,一路学到了硕士毕业,然后当时卢瑟福的助手不是盖格吗,就是发明盖革计数器的盖格,德国人,查德威克又是卢瑟福的学生,他和盖革就认识了,正好那个时候盖格要回德国,而查德威克就跟随着盖格一起去德国搞研究,后来不幸在一战时期被捕了,战后放出来之后回到英国投奔了卢瑟福,卢瑟福说就跟我留在卡文迪许实验室吧,他就在卡文迪许一直在寻找卢瑟福当年所预言的中子,大概就是这么个故事。

曼彻斯特大学

接着上文说,查德维克看到了约里奥居里夫妇的这个文章之后,他第一反应就是,这肯定不是伽马射线,这就是我一直寻找的中子啊,您可能会好奇,查德威克找了十几年的中子,他咋就连影儿都没看着呢?主要原因是卢瑟福当年的预言,实际上我只跟您写了前半句。卢瑟福说,原子核内很有可能还有一个中性粒子的存在,这是前半句,后半句是卢瑟福当时认为原子核里也存在电子,电子带负电,质子带正电,异性相吸呀。那没准他俩就鼓弄到一起去了呀,卢瑟福为啥会觉得原子核里面也会存在电子呢?

中子与质子

其实也是被逼无奈,之前讲过天然放射性,说有一束带负电的β射线,还记得吧,就是高能电子束,当时人们发现这束β射线是从原子核里射出来的,所以就只能够假设这个原子核里面也存在电子,要不然β射线哪儿来了呀?卢瑟福虽然结果预测对了,但是方向错了,他认为这个中子是电子和质子的结合体,查德威克自然就奔着这个方向去了,卢瑟福是他老师吗?就连中子的性质都猜测的差不多了,那就是出发点错了,这回好了,就只要做一个和这个约里奥居里夫妇一样的实验,然后根据自己猜测的中子的性质,一判断就啥都知道了,结果发现所谓的铍射线正是中子,根本就不是电磁波,而是粒子,它的质量和这个质子差不多不带电,那就相当于是铅球撞铅球,中子能把质子打出来就很正常了,于是就连忙发论文,找卢瑟夫签字。

3种射线的能量图

在年的2月份,也就是小居里夫妇之后的一个月左右,向世人公布说,卢瑟福在12年前预言的中子被证实存在了,就这样查德威克算是第一个发现中子的人。不过此时的他仍然认为中子是由电子和质子组成的,这里还要提到一位我国的物理学家王淦昌先生,王淦昌先生的导师是奥地利著名的女物理学家莉泽·迈特纳。这位虽然没有得过诺贝尔物理学奖,但是却三次被提名,她最主要的成绩就是她是第一个理论解释了核裂变的人,在原子物理当中的地位是很高的。

王淦昌的导师

当年德国这伙人就是博特他们发现了铍射线之后,王淦昌就觉着这铍射线肯定不是伽马射线伽马射线的穿透力再强也不可能穿透这几厘米厚的铜板啊,他就发现了博特当时使用的检测器是盖革计数器,王淦昌就建议应该用云室来检测,这样就可以更好的分析这个铍射线的性质,于是王淦昌就找到自己的导师迈特纳说我想研究研究这个铍射线,应该会有重大的发现,我需要使用云视作为检测器,连续两次申请莉泽·迈特纳都没同意。

王淦昌

到了年,这查德威克正是使用的云室代替了盖格计数器才发现了中子,让莉泽·迈特纳听说之后后悔至极呀,就和王淦昌说,看来是咱们运气不好啊,就这样王淦昌先生与重大发现失之交臂,年查德威克发现了中子获得了诺贝尔物理学奖,约里奥居里夫妇很恶心啊错失了机会,不过在年小居里夫妇因为发现了人工放射性,也在年获得了诺奖,不过是化学奖,关于中子的故事还没讲完,查德威克虽然发现了中子但是这个中子的定位当时还存在一些争议,就是中子他是不是基本粒子呢?

中国散裂中子源

我们之前聊的电子,光子,质子,在当时人们看来那都是不可再分的基本粒子,按照卢瑟福和查德威克的说法,中子是一种电子和质子的复合粒子,它就不是基本粒子,但是当时有几个问题是无法解释的,简单说一下,那个时候已经是年了,量子力学已经发展起来了,人们有了这个自旋的概念,当时人们发现氮核就是氮的原子核它的自旋是一,偶为核是一个整数,质子和电子的自旋啊,是分数就要么是正1/2,要么是-1/2,我们现在知道,氮原子核是由七个质子七个中子组成的,那如果中子是质子和电子组成的,那就相当于氮原子核里边有14个质子和七个电子对吧,然后就会发现,不管怎么组合,都不可能得到氮原子核自旋为一的结果,这就说明中子是由质子和电子组成的说法有问题。

高能射线会打碎DNA,从而导致β射线

那人们可能会问为啥不把中子看作是基本粒子呢?有人这么认为啊,这查德威克刚说自己发现了中子之后,研究量子论的那伙儿就是海森堡,他们说原子核就是由质子和中子组成的,不过这又提到了那个问题吧,就是如果中子是基本粒子,原子核里没有电子,就只有这个质子和中子,那这束从原子核里面放射出来的β射线高能电子束,它又是怎么来的呢?这个问题和另一个基本粒子中微子有关,实际上他经过了很多人的努力才得以解决,咱们先留个悬念之后再细聊。同样是年,美国那边传来消息有人居然发现反物质了,什么情况啊?咱们下期再聊。



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