失之交臂复谁闻

众所周知，自然界的一切物质都是由原子组成的。原子又是由什么组成的呢？1911年，英国物理学家卢瑟福根据实验，确定了原子有一个带正电的核和一定数量的电子所组成，核外电子围绕着原子核不停地运动，就像太阳系的行星围绕着太阳旋转一样。如果从所带的电核来看，因为原子本身是不带电的，所以可能是由带正电的质子和带负电的电子所组成的，两者所带电核恰好抵消而使原子呈现中性。但从原子的质量来看，如果原子核仅仅是由质子构成，就出现了以下矛盾：原子核的质子数目除了氢原子以外，并不等于原子的质量。如氦原子有两个质子，但其质量却是质子的4倍。这种情况越到元素周期表的后部分就越突出。例如，铀原子有92个质子，但其原子核质量却相当于238个质子。同时，如果所有元素的原子核都是由质子组成的，则所有的原子量应该都是原子量的整数倍。但实测结果并非如此。

从科学角度讲，这种矛盾证明，原子核还不仅仅局限于人们已经认识到的结构，应该更复杂，应该做进一步的研究。据此，卢瑟福和许多科学家都假设原子核里肯定还有某种尚未被发现的粒子，这种粒子必须是不带电的，因此被称为“中子”。卢瑟福在1920年的一次谈话中预言：在原子的某个地方，可能存在着一种尚未被发现的中性粒子，其质量与质子大体相等。这就是卢瑟福的中子预言。

验证这个假说并发现中子的是英国物理学家查德威克。查德威克（Sir James Chadwick，1891—1974年）于1891年生于英国曼彻斯特，1911年在曼彻斯特大学物理系毕业后，先后在剑桥大学卡文迪许实验室、德国夏洛腾堡大学学习和研究。获得剑桥大学、牛津大学、伯明翰大学、都柏林大学、利物浦大学和爱丁堡大学等校的博士学位。毕业后一直在著名的卡文迪许实验室从事物理学实验研究工作。卡文迪许实验室是个人才辈出的地方，当时的实验室主任是著名的物理学家卢瑟福，是查德威克的老师。在这座科学圣殿里，查德威克如鱼得水，在前辈大师的悉心培养和教诲下，勤奋遨游，接连取得了一系列科学成就，为他后来能够成功发现中子打下了坚实的基础。1911年，他第一次得到了放射性物质所产生的β粒子能谱。1920年，他通过对α粒子散射所进行的精确测量，第一次测定了原子核的电荷。

从卢瑟福提出中子假说开始，卡文迪许实验室开始了实验研究工作。他们首先企图用真空放电方法让氢离子与电子结合而生成中子，但是10年过去了，无数次实验都未能找到卢瑟福预言的中子。到了1930年，当中子假说几乎被人们忘记时，从德国传来了最新消息：物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其他元素时，探到了有一种穿透力极强的射线发生。正在从事人工核反应实验研究的法国著名的物理学家小居里夫妇，听说此信息后也很快进行实验，进一步研究用α粒子轰击金属铍时产生的这种辐射现象。他们证实了这种射线的能量很大，不仅可以穿透能够吸收γ射线的金属铅块屏蔽，而且可以从石蜡中打出能量很高的质子束。当拍摄到有关云雾室的照片以后，他们仍然顽固地认为这种射线是“γ射线”。其实，这就是卢瑟福预言的、人们已经找了十几年之久的中子。遗憾的是，他们已经走到了“中子”的大门口却未能发现它，错过了完成一项重大科学发现的机会。

此时，查德威克也在努力寻找着中子。他身在卡文迪许实验室，非常自然地对中子假说有深刻印象。他利用实验室所拥有的各种先进实验仪器和测量手段，进行了一系列实验研究。他利用α粒子进行轰击硼、铍，通过比较实验发现，这种射线引入氮气时，有个别粒子会以极小的能量打进氮原子，而γ射线却没有这种现象发生。紧接着，查德威克又设计了一系列定量实验，发现在不同的情况下，新射线的能量也不相同。为了确定射线粒子的质量，他又用这种粒子轰击硼，从新产生的原子核所增加的能量来计算，结果算出了新粒子的质量与质子大小相等。1932年2月27日，查德威克在做了大量实验以后，以确凿的数据论证了中子的存在，正式宣布发现了中子。卢瑟福12年前的科学预言得到了实验证实。查德威克因为发现中子的杰出成就而获得了1935年度诺贝尔物理学奖。

中子的发现是继放射性发现后，原子科学上的第二次重大科学发现。在这个发现的启示下，苏联的伊万宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型。长期争论不休的原子核结构问题得到了初步解决，引发了人类对原子核秘密的探索并不断取得新进展。中子发现的历史首先告诉我们，科学预见必须要有正确的理论思维作指导。恩格斯说：“无论对一切理论思维多么轻视，可是没有理论思维，就会连两件自然的事实也联系不起来，或者连二者之间所存在的联系都无法了解。”光做实验不思考，只能得到一堆杂乱无章的表象，将会“不识庐山真面目”。小居里夫妇虽然做了实验，并且观察到了很强的射线，事实上已经得到了中子，但他们根本没有想到这种射线就是中子流，原因就在于他们未能认真对待中子假说，以致后悔不已。查德威克则有得天独厚的条件，他每天在卢瑟福身边工作，耳濡目染，在科学思维和理论的指导下，一旦得到别人实验的启发，他就立即把中子假说和新射线联系起来，从而很快发现中子。

其次，查德威克具有敏锐的科学洞察力。在实验工作取得大量数据资料和事实面前，并不是所有的人都能认识到其中的价值。小居里夫妇对此未做进一步细致观察和研究，从而使重大科学发现从身边溜走。当年，普里斯特利已经通过实验得到了氧气，但他缺少像拉瓦锡那样细致入微的观察，因而把发现氧的权利拱手让给了具有敏锐洞察力的拉瓦锡。查德威克也是在初步观察的基础上继续进行实验研究，依靠敏锐的洞察力和判断力，进而发现了中子。

第三，高超和灵活的实验。卡文迪许实验室是人才辈出的优秀科学家的摇篮，历代实验室主任从麦克斯韦到瑞利、汤姆逊、卢瑟福、布拉格等人，都是以实验技巧高超而闻名于世的。从建立以后，共有21位科学家获得诺贝尔奖。查德威克在这样良好的环境中进行实验研究，耳濡目染，自然养成了良好的实验习惯，能够以从实验中观察到的事实为依据，通过一系列定量实验，发现新粒子与已知粒子的相同与不同，在做了大量高超而灵活的实验以后，以确凿的数据论证了中子的存在，宣布发现了中子，从而获得了诺贝尔奖。