中子的发现,才使人们了解原子核是由中子与质子组成的,这个发现具有重大科学意义,不仅是原子核内部结构研究的一个重要里程碑,也为后来人类能够利用核能打下了极为重要的基础,也可以说:“中子”敲开了人类进入核能时代的大门。查德威克因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。
用中子当“炮弹”
中子发现后,原子核由质子和中子构成的理论假设被科学界普遍接受。中子不带电荷,很容易接近原子核并被吸收,科学家们由此想到可以用中子作为“炮弹”来轰击各种元素的原子核,便有了一系列重要发现,20世纪30年代也被誉为是核物理学发展的黄金时代。
当时,费米(Enrico Fermi)和同事用中子轰击了周期表中的所有元素,并辩认了因此而产生的具有放射性的元素。他们观察到:把中子源和被轰击的物体放在大量石蜡中,放射性会增加很多倍。
费米(图片来自网络)
费米用“慢中子”解释这一现象。他认为,由于质子和中子的质量相等,所以当快中子与静止的质子发生碰撞时,快中子损失能量变为“慢中子”,慢中子与重原子核的反应截面比快中子大得多。慢中子的发现为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。费米获得了1938年度的诺贝尔物理学奖。
哈恩(Otto Hahn)和斯特拉斯曼(FritzStrassmann)于1938年进行了中子撞击铀的实验,首次实现了中子诱发的铀裂变。
哈恩
斯特拉斯曼(图片来自网络)
链式反应
奥地利的梅特纳(Lise Meitner)和她的侄子弗瑞士(Otto Robert Frisch)认为:玻尔(Niels Henrik David Bohr)提出的原子核的液滴模型,很好地解释了重核的裂变。玻尔设想原子核像一滴水,当外来的中子闯进这个“液滴”时,“液滴”会发生剧烈的震荡。它开始变成椭圆形,然后变成哑铃形,最后分裂为两半。不过,这个过程的速度可快得惊人。
梅特纳
弗瑞士(图片来自网络)
对此也很感兴趣生物学家阿诺德说,如果原子核就像一滴液滴,被中子击中以后分裂成为两个原子核,这种情形很像显微镜下看到的细胞繁殖时的分裂现象。
显微镜下细胞繁殖时的分裂(图片来自网络)
梅特纳和弗瑞士为此很受启发,当时他们正在寻找一个合适的名词,来表示原子核被打破而分裂的现象,于是决定采用用细胞分裂的“分裂”(英