1911年,卢瑟福通过著名的α散射实验发现原子内部有一个小小的核心——被称为原子核,原子核拥有原子的绝大部分质量,并携带正电荷。但当时人们对原子核的内部构造还一无所知,探索原子核的内部结构成为物理学研究的热门课题。
只是,原子核如此神秘,很多实验都无法取得进展,如同有扇大门紧闭,阻挡着人们进入原子核内部去探秘。直到20世纪30年代,一种新的粒子——中子被发现了,这才敲开了这扇神秘之门,原来原子核是由中子与质子组成的。
中子的发现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。
对了,最近刷了屏的“中国散裂中子源首次打靶成功”新闻报道中,“散裂中子源”的那个“中子”,正是敲开原子核秘密之门的“中子”。
卢瑟福的预言
第一次世界大战的爆发使许多科学研究被迫中断,直至1918年11月战争结束,科学家们才陆续回到自己的实验室。
1919年,卢瑟福(Ernest Rutherford)应邀担任英国剑桥大学卡文迪什实验室主任,他用α粒子轰击干燥的氮气,击中氮原子核,使氮转化为氧,并释放出一个质子,实现了人类历史以来第一次人工核反应。
卢瑟福(图片来自网络)
卢瑟福的实验证明了原子核内部有质子,但实验中存在着一些无法解释的现象。原子的质量近似于质子质量的整数倍,因此,根据原子核的电荷量应该能推断出原子核内的质子数。用这个概念解释氢原子核很合适,但对氦原子就不好解释了。氦原子有两个电子,按说核内应该有两个质子,质子与电子的正负电荷才能正好抵消。问题来了,氦原子核比氢原子核重4倍,如果氦原子核由4个质子构成,那多余的两个正电荷是怎么抵消的呢?其它更重的原子核就更无法解释了。为解释实验中存在的矛盾,卢瑟福想到原子核中可能并非只有质子这唯一的基本成分。
1920年,卢瑟福首次提到原子核里中性子的概念。他在皇家学会贝克里安讲座的演讲中提出:也许在原子核这样微小的范围内,多余的质子吸引了核外电子,形成了一种质量与质子相近的中性粒子。
由于当时实验中用的α粒子是利用镭的自然衰变产生的,能量不高,始终无法击碎原子核。在有了粒子加速器后,也因当时的加速器能量不够高,轰击原子核的尝试一直没能取得大进展,原子核的神秘大门并未打开。
查德威克发现中子<