马克思主义基本原理第二章案例选编.doc

案例29：中子的发现 卢瑟福的预言 ??? 物质放射性的发现揭开了研究原子核的序幕。一些基本粒子在人们的实验中陆续被发现，如电子、质子等。当时的物理学界普遍认为，一切物质都是由电子和质子翠成的，并提出了质子一电子核模型。但质子一电子核模型在核研究中却出现了困难，这包括：电子在核中的存在状态问题，该模型与量子力学中多体统计与自旋理论的矛盾的问题。很多科学家；包括玻尔、海森堡在内，为了摆脱困难，甚至决定放弃量子力学理论，准备接受一切。但在1920年6月，英国物理学家卢瑟福预言原子核内可能存在着质量与质子质量相同的中性粒子。他说：“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。”随后，卡文迪什实验室的研究者们，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，但均未获成功。 ??? 与中子发现“失之交臂” ??? 1930年，德国物理学家博特(W.W.G．Bothe，1891-1957)和他的合作者贝克尔(H.Beckcr)用天然放射性元素钋(Po)放出的α粒子去轰击较轻的元素，特别是轰击铍(Be)时，发现从铍发射出一种强度不大但穿透力极强的射线。经过对射线进行测试后，发现这种射线在电场和磁场中都不会发生偏转(因而不带电)。在穿透两厘米厚的铅板之后，强度只减弱30％。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。唯二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量的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。 ??? 1931年前后，法国物理学家依琳﹒居里(1897--1956)和她的丈夫约里奥﹒居里(1900--1958)重复了博特和贝克尔的实验，对这种射线进行了研究。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。这表明石蜡在这种“铍射线”照射下，会发射出大量质子。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。当时，居里夫妇把这种现象当成是一种强γ射线造成的“康普顿效应”。1 932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，说发现了γ射线能够产生一种新的作用，仅此而已，从而错过了发现中子的机会。 ??? 当约里奥﹒居里夫妇的实验结果被报道出来后，立即引起了当时正在卡文迪士实验室工作的查德威克的注意。 ??? 查德威克的发现 ??? 对于法国的约里奥﹒居里夫妇的实验，英国物理学家查德威克(看了他们的论文后)认为不能用“康普顿效应”解释这个现象。经过一番思考，他随即意识到：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。随后，查德威克用钋加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击轻、重不同的氢、氦、氮等几种元素，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。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”。 ??? 1932年2月17日，查德威克写信给《自然》(Nature)杂志，发表了他的结果，这篇通信的题目叫《中子可能存在》，离约里奥γ居里的文章不到一个月。接着，在《英国皇家学会通报》上他又发表了题为《中子的存在》一文，详细报告了实验结果及理论分析。1935年，查德威克因发现电子获诺贝尔物理学奖。 ??? 中子发现的意义 ??? 在原子物理学的发展上，中子的发现是一件划时代的大事。它是人类关于物质结构认识的又一重要转折，