中子发现史

中子及其性質的發現是原子物理學在20世紀上半葉的一項核心進展。歐尼斯特·拉塞福在20世紀初基於金箔實驗的結果提出了較為粗略的拉塞福模型。在這個模型中，原子的質量與正電荷集中在非常小的原子核中。到了1920年，科學家發現了化學同位素，確定了原子量大約是氫原子質量的整數倍，並將原子序數認定為原子核具有的電荷量。科學界在1920年代普遍認為原子核是由當時已知的兩種基本粒子質子和電子混合構成的。不過這種模型與其他理論及實驗結果存在牴觸之處。
詹姆斯·查兌克在1932年發現了中子，而後又驗證了中子是種有別於質子的新基本粒子。原子核的基本性質隨著中子的發現得以確定。
不帶電的中子迅速成為了探測原子核結構的工具並使科學家取得了一系列發現。這其中包括1934年通過中子照射合成的新的放射性元素以及1938年發現的由中子引起的鈾裂變。核分裂使得核動力與核武器在二戰末期得以產生。原本被視為基本粒子的質子和中子也在1960年代被科學家發現是由夸克構成的複合粒子。

放射性與原子核的發現

亨利·貝克勒於1896年發現了鈾鹽的放射性現象。1898年，瑪麗·居禮做實驗發現，放射性是某些特定種類原子的性質，例如釷、釙與鐳。同年，歐尼斯特·拉塞福分析了物質對鈾射線的吸收過程，將其中穿透性較弱的射線命名為α射線，穿透性較強的則命名為β射線。穿透性更強的γ射線則在兩年後被保羅·維拉爾發現。三種射線的構成則在其後的十餘年裡得到確定：β射線由沃爾特·考夫曼在1902年確認是電子，α射線於1908年由拉塞福和湯瑪斯·若義梓確定為帶正電的氦離子，而γ射線則是於1914年由拉塞福和愛德華·安德瑞德確定為電磁輻射。由於這些輻射也被證實為源自於原子，它們可以提供了解原子內部狀況的線索，他們還被認為是在散射實驗裡探測原子內部的工具。
拉塞福在1906年首先觀測到α粒子在物質中的散射，而後與漢斯·蓋革一起合作研究這個課題。蓋革與他的助手歐尼斯特·馬斯登在1908年至1909年間用α粒子轟擊金箔、鋁箔等各種金屬箔。他們發現有極少量的α粒子會發生大角度散射。具體的散射情況與金屬箔片的種類有關。基於實驗結果，拉塞福在1911年提出原子存在集中其所有正電荷的中心，即原子核。正是這個微小的正電荷中心使得α粒子發生了上述偏折。

同位素的發現

在拉塞福與蓋革和馬斯登研究的同時，格拉斯哥大學的放射化學家弗雷德里克·索迪正在研究放射性物質在化學方面的論題。他曾與拉塞福合作研究過釷的放射性衰變。到1910年為止，學者發現在鉛和鈾之間約存在40种放射性元素，不過在元素週期表中，這兩個元素間只有11種元素。1913年，索迪與卡西米爾·法揚斯分別獨立發現放射性位移定律，並且確認，在這40种放射性元素中，部分元素的化學性質相同。索迪將化學性質相同的元素稱作「同位素」。索迪因為對放射性的研究並發現同位素獲得1921年的諾貝爾化學獎。
基於約瑟夫·湯姆森對帶正電粒子被電磁場偏轉的研究，弗朗西斯·阿斯頓1919年在卡文迪許實驗室製造了第一架質譜儀。阿斯頓成功地用質譜儀分離出氖的兩種同位素，20
Ne與22
Ne，更重要的是，他發現所有同位素的質量都是氫原子質量的整數倍（即整數法則）。在阿斯頓的測量實驗裡，他隨意地選取了氧-16的質量作為基準質量（設為16）來計算了原子的相對質量。整數法則的唯一例外是氫原子，其相對質量為1.008。偏差儘管並不大，但是還是大於實驗的不確定度。阿斯頓等人迅速意識到這個偏差來自原子間的結合能，也就是說，由多個氫原子結合而成的原子，其質量必定小於這些氫原子的質量總和。阿斯頓因為發現大量非放射性元素的同位素以及對整數法則的闡述獲得1922年的諾貝爾化學獎。
基於阿斯頓發現的核結合能，亞瑟·愛丁頓推測恆星是通過氫（質子）聚變為氦以及更重的元素的過程獲得能量。

原子序數與莫斯利定律

1913年春天，根據拉塞福散射理論對於因粒子撞擊重金屬而產生的偏轉所給出的詮釋，拉塞福估算，原子核帶電量Z大約為以氫原子質量為單位計算出來的原子量A的一半。然而這只是個近似，並沒有揭示出整個物理圖案。在那時期，科學家並不知道，在元素週期表裡，元素次序的物理意義，但是它們知道，假若按照原子量A排列，則會展示出元素的化學性質的週期性，特別是化學價的週期性，可是有些元素會違反這週期性，例如鈷和鎳。同年，安東尼厄斯·范登布魯克推測，元素在週期表中的次序號碼Z，即原子序數，是原子核帶電量C，而不是原子量A的一半。
1913年，亨利·莫斯利在曼徹斯特大學與來訪的波耳會談，他們主要研討的是關於K-α線的論題：到底K-α線頻率是與原子序數有關還是與原子量有關。莫斯利想要知道鈷和鎳是否應該按照原子量的順序。波耳表示，毫無疑問地應該按照原子序數的順序。莫斯利回應，讓我們做實驗瞧結果為何。莫斯利在1913年至1914年間對於原子序數Z在原子理論裡的角色給出重大貢獻，他利用X射線繞射技術來測量從物質發射出的K-α線，並且給出K-α線的頻率與原子序數Z之間的關係方程式。使用這關係關係方程式，他可以對於每一個已知元素確切地給出它的原子序數Z，因此解決鈷和鎳在週期表的排列方面的困惑，並且證實范登布魯克的推測正確無誤。
對於各種可被實驗檢試的元素，莫斯利使用波耳模型計算出來的X射線頻率與實驗結果相符合，他還利用波耳模型對於他的關係方程式做解釋，這些都證實了波耳模型的正確性。這個方程式現在叫作「莫斯利定律」。莫斯利的結果不僅使原子序數成為可以通過實驗測定的物理量，還為它賦以「原子核的正電荷量」的物理意義。週期表中的元素至此不必再用原子量，而可以利用原子序數排序。這個結果將元素週期表的排布、原子的波耳模型以及原子核α散射的拉塞福模型等理論結果聯繫在了一起。波耳等人認為，這個結果使得人們有更具體的基礎來研究原子結構。
原子物理的進一步研究隨著一戰爆發而中斷。莫斯利1915年在加里波利戰役中戰死，拉塞福的學生詹姆斯·查兌克則在戰爭期間遭到德國的拘禁。莉澤·邁特納與奧托·哈恩的研究工作也在戰爭期間中止。一戰期間，邁特納在奧地利前線擔任放射醫師與醫療X光技師，哈恩則轉為開發化學武器。

質子-電子模型與中子假說

拉塞福在1920年獲授皇家學會貝克獎。他在題為《原子的核構造》（英語：Nuclear Constitution of Atoms）的獲獎演講中匯總了那時期他對於原子核的最新研究成果。科學界在1920年普遍認為原子核內存在電子。原子核則被假定為由數量為原子量的氫核構成。由於氫核帶有一單位的正電荷，為了讓原子核的總電荷量與原子序數相等，就需要一些帶有一單位負電荷的「核中電子」來中和。質子質量比電子質量大1800多倍，所以電子的質量在計算中可以忽略。這個模型符合對於輕質量原子核的α粒子散射實驗所獲得的結果以及許多同位素質量的測定結果。質子-電子模型還可以用於解釋其他問題。拉塞福表示：「我們有足夠的理由相信原子核包含電子和帶正電粒子。」科學家在當時已經知道β射線是原子核放射出的電子。
拉塞福還在該演講中預言了一些新粒子。α粒子非常穩定，因而當時科學家假定其在原子核中仍會保持為一個整體。科學家當時推測α粒子是由4個質子和2個緊縛電子構成，帶有2單位正電荷，原子量為4。拉塞福在其發表於1919年的一篇論文中報告了帶有2單位正電荷原子量為3的新粒子，以X++表記。拉塞福認為這種新粒子由3個質子和1個緊縛電子構成。X++粒子後來被證實只是普通的α粒子。不過，拉塞福仍然在那篇演講中預測了質量為1的中性粒子與質量為2且帶1單位正電荷的氘核的存在。氘核由哈羅德·尤里、福定南德·布里克魏德與喬治·墨菲於1931年發現。假想存在的中性粒子與質子質量差異甚小，因而拉塞福認為利用當時的技術很難探測出這種不帶電的粒子。
拉塞福與威廉·哈金斯於1921年分別獨立地將那種不帶電的粒子命名為「中子」（neutron）。氫核也在同一時期得到了「質子」（proton）這個新名稱。「Neutron」是由拉丁語詞根「neutral」（「中性的」）及仿照「electron」和「proton」添加的希臘語詞尾「-on」構成。不過「neutron」這個詞在1899年發表的與原子相關的文獻即出現過。
拉塞福和查兌克迅速在劍橋大學的卡文迪許實驗室開始了尋找中子的實驗。但二人在整個1920年代都沒有找到中子的蹤跡。
拉塞福的假設也沒有得到科學界的普遍認同。當時在哥本哈根理論物理研究所工作的喬治·伽莫夫在1931年出版的教科書《原子核的構造和放射性》（"Constitution of Atomic Nuclei and Radioactivity"）中沒有提及中子假說。伊雷娜·約里奧-居禮與弗雷德里克·約里奧-居禮在1932年得到足以證明中子存在的測量數據時，卻並不知道中子假說。

核內電子假說的疑難

物理學界在整個1920年代都假定原子核由質子和「核內電子」構成。基於這個假說，氮-14原子（¹⁴N）的原子核是由14個質子和7個電子構成，總體有7個單位的淨電荷以及14個單位的質量。原子核與7個圍繞原子核做軌道運動的「核外電子」構成完整的¹⁴N原子。不過這個假說存在明顯的問題。
拉爾夫·克勒尼希在1926年指出，質子-電子假說不符合原子光譜中的超精細結構的測量結果。這個結構來源於原子核對於核外電子的動力學作用。「核內電子」的磁矩會造成類似塞曼效應的超精細結構譜線分裂，但實驗中並沒有出現這種現象，就像核內電子的磁矩消失了一樣。
1928年克勒尼希在科訪烏特勒支大學時，獲悉關於N₂⁺轉動光譜的一個驚訝實驗結果，這個由烏特勒支大學物理實驗室主任倫納德·奧安斯坦精確測量的結果顯示出，氮原子核的自旋等於1。然而，假若氮-14原子（¹⁴N）的原子核是由14個質子和7個電子構成，總共21個自旋1/2粒子，則總原子核自旋應為半整數。克勒尼希因此建議，＂在原子核內的質子與電子所持有的屬性可能與在原子核外不同。＂
佛朗哥·拉塞蒂在1929年利用拉曼光譜學科技對雙原子分子的轉動能階觀測所獲得的結果與質子－電子假說對核自旋的預測也不一致， 拉塞蒂獲得的H₂與N₂分子光譜都顯示出強度的明亮與黯淡交替變換的圖樣，然而這兩種光譜的變換圖樣次序相反。經過仔細分析這些實驗結果，德國物理學者瓦爾特·海特勒與格哈德·赫茨貝格推論，氫原子核遵守費米統計，而氮原子核遵守玻色統計。可是，尤金·維格納在一份那時尚未公開的研究報告裡表明，假若一個複合系統擁有奇數的自旋1/2粒子，則這系統必遵守費米統計，否則，這系統必遵守玻色統計。因此，海特勒與赫茨貝格總結，＂在原子核內部的電子…失去了決定原子核的統計屬性的能力。＂
奧斯卡·克萊因在1928年發現的克萊因悖論進一步揭示了量子力學不允許核內電子存在。從狄拉克方程式可以推導出，當高能量電子接近勢壘時，依靠著正質量變換至負質量而獲得能量的機制，這個電子很有可能穿過那個勢壘。很明顯地，的任何勢壘都無法困住核內電子。這個悖論的意義在當時有很大的爭議。
科學界在1930年左右也普遍認識到原子核的質子-電子模型與海森堡測不準原理也不能調和。依據測不準原理，處於原子核這樣小的空間中的電子的動能平均值為10–100 MeV。這個能量值比當時觀測到的從原子核中放射出的β射線的能量還要高。同時電子能量的平均值也比核子的結合能高。阿斯頓等人當時已經給出單個核子的結合能小於9 MeV的結果。
儘管這些問題並不能否定核內電子的存在，但物理學家也很難給出解釋。伽莫夫在1931年出版的教科書中匯總了這些問題。此外還存在其他令人困惑的問題。β衰變電子連續分布的能譜展示了「核內電子」在這個過程中似乎並不遵守能量守恆。波耳、伽莫夫與海森堡等人當時考慮量子力學可能不適用於原子核內的情形。由於量子力學當時在微觀領域剛剛完成對古典力學的革新，因而量子力學也存在局限的看法在當時看來合情合理。這些問題在證實原子核內不存在電子之前讓物理學界困惑不已。

中子的發現

瓦爾特·博特和赫伯特·貝克爾1930年在德國吉森發現一些輕元素，特別是鈹（9
4Be）、硼（11
5B）和鋰（7
3Li），受到來自釙源的高能α射線輻照時會產生具有異常穿透力的輻射。其中鈹產生的這種輻射最強。釙放射性強，能夠產生高能α射線，當時廣泛用於散射實驗。帶電的α射線會受到電場的影響。不過觀測到的具有強穿透能力的輻射並不受電場影響，因而當時被推測可能是γ射線。這種輻射的穿透能力要比當時已知的γ射線更強，同時實驗結果的一些細節也很難解釋。
兩年後，伊雷娜·約里奧-居禮與弗雷德里克·約里奧-居禮在巴黎發現石蠟等富氫化合物受到這種未知射線輻照時會釋放出能量非常高（5 MeV）的質子。這個觀測結果從γ射線的角度不能得到解釋。與質子發生康普頓散射的γ射線的能量會高得異常（50 MeV）。當時在羅馬的青年物理學家埃托雷·馬約拉納認為與質子發生作用的射線應該是種新的中性粒子。
在聽說了巴黎的實驗結果後，卡文迪許實驗室的拉塞福和查兌克都不認為那種射線會是γ射線。在諾曼·費瑟幫助下，查兌克立即開始實驗，證明γ射線假說站不住腳。查兌克、J·E·R·康斯特布爾和歐尼斯特·C·波拉德在一年前就已開始利用釙α粒子使輕元素發生蛻變。他們還提出了更為精準的方法來探測、計數和記錄釋放出的質子。查兌克重複了用鈹產生的未知射線輻照石蠟的實驗。石蠟中氫含量很高，作為靶子的質子在其中非常緻密。由於中子與質子質量大致相等，質子會因中子發生很強的散射。查兌克測定了質子的分布範圍，同時還觀測了新輻射對幾種氣體的影響。他發現新輻射並不是由γ射線，而是由與質子質量差不多的中性粒子構成。這種粒子就是中子。查兌克因為這項發現獲得1935年的諾貝爾物理學獎。
1932年也成為了卡文迪許實驗室的核物理「奇蹟年」。中子、科克羅夫特－沃爾頓粒子加速器中發生的人工核蛻變以及正電子都是在該年發現的。

原子核的質子-中子模型

由於「質子-電子模型」存在種種問題，原子核由質子和中子構成的猜想在中子性質尚不明確時即迅速得到科學界的認可。在中子發現的幾個月後，維爾納·海森堡與德米特里· 伊萬年科提出了質子-中子模型的幾種可能形式。海森堡在他具有里程碑意義的論文中利用量子力學描述了原子核中的質子和中子。儘管海森堡的質子-中子理論是通過量子理論理解原子核的重要一步，但其中還是用到了「核內電子」假說。海森堡假定中子是質子和電子構成的複合粒子。他並沒有為這種粒子給出量子力學解釋，也沒有解釋輕質電子束縛於核內的機制。海森堡首次從理論上引入了使核子結合在一起的核交換力。他認為質子和中子是處於不同的量子態的同種粒子。也就是說，不同的核子只是同位旋量子數不同。
質子-中子模型解釋了氮分子存在的疑問。依據該模型，¹⁴N核中有3組成對的質子和中子。此外還有未配對的一個質子和一個中子。它們各自貢獻一個同向的¹⁄₂ ħ組成1 ħ。這個模型與實際情況相符。其他核素間自旋的不同也在不久後通過中子得到解釋。
不過質子-中子模型還是不能解釋β輻射的來源。當時的理論並不能解釋電子或正電子是如何從原子核中輻射出來的。恩里科·費米在1934年發表論文，描述了β衰變的過程。他認為這種衰變的本質是中子衰變為質子並放出一個電子和一個微中子（當時尚未發現）的過程，並以原子過程中光子的產生和湮滅作類比。伊萬年科在1932年也提出過類似的方法。中子依據費米的理論應該是自旋為¹⁄₂的粒子。β衰變所釋放的β射線具有連續能譜，與能量守恆律似乎相互矛盾，這一難題在費米的理論下得以解決。這個理論還是首個展示粒子產生和湮滅的理論。它為描述粒子的弱交互作用和強交互作用提供了普適而基礎的方法。儘管這篇論文經過了時間的考驗，但其中的理論太過新穎，以致一開始接收它的《自然》雜誌都因為其中推測因素太多而將其退稿。

1930年代的中子物理學

中子發現後不久，科學家意外發現中子磁矩非零的間接證據。中子磁矩的測定由奧托·斯特恩於1933年在漢堡的研究拉開序幕。他發現質子的磁矩異常地大。到了1934年，移師匹茲堡的斯特恩團隊和紐約的伊西多·拉比團隊都發現利用質子和氘核磁矩測定值推導出的中子磁矩為負，並且數值大過預期。羅伯特·巴徹（1933年在安娜堡）以及伊戈爾·塔姆和謝苗·阿爾特舒勒（1934年在蘇聯）也通過研究原子能譜的超精細結構測定了中子的磁矩。拉比團隊在1930年代後期利用新近發明的核磁共振技術測量了中子磁矩的精確值。質子磁矩較大的數值以及中子具有負磁矩出乎了科學家的預料並引起了諸多問題。
中子在發現後迅速成為科學家探測原子核性質的新工具。之前的幾十年裡，散射實驗中用的是α粒子。帶兩單位的正電荷α粒子需要克服庫倫斥力，很難與原子核直接作用。中子不帶電，因而在與原子核交互作用時不需要克服斥力。查兌克的門生諾曼·費瑟在發現中子後不久就用中子和氮做了散射實驗。費瑟發現中子會誘導氮核蛻變為硼並釋放出α粒子。這是首個利用中子誘導核蛻變的實驗。
恩里科·費米在羅馬用中子轟擊了較重的元素時發現產物具有放射性。到了1934年，費米已經用中子誘導了22種元素產生放射性。這些元素中不少原子序數很大。他發現木質桌面上的實驗效果要比大理石桌面的要好。費米推測木頭中的質子可以放慢中子的速度，進而提高中子與原子核的碰撞機率。費米之後用石蠟慢化中子，發現受到轟擊的元素的放射性提高了百餘倍。慢中子與原子核的截面要比快中子大得多。費米於1938年因為「證明存在由微中子輻射誘導產生的新的放射性元素並發現由慢中子引發的核反應」獲得諾貝爾物理學獎。
莉澤·邁特納、奧托·哈恩以及他們的助手弗里茨·施特拉斯曼在柏林進一步深化費米的實驗。他們用中子轟擊鈾核。三人在1934年至1938年間通過這種實驗發現了大量具有放射性的產物。他們認為這些產物是超鈾元素。這些元素的原子序數比鈾（92）的大，不會自然產生。邁特納在1938年為逃避納粹當局德奧合併後的反猶迫害，逃到了瑞典。1938年12月16日至17日使用「鐳-鋇-新釷分提」的實驗產生了令人困惑的結果：他們原本認為會產生鐳的三種同位素，產物性質卻與鋇一致。鐳（原子序數88）與鋇（原子序數56）是同族元素。哈恩在1939年1月提出實驗產物不是原本認為的超鈾元素，而是鋇、鑭、鈰以及鉑系元素。邁特納和她的外甥奧托·弗里施之後不久將此類觀測結果解釋為鈾發生「核分裂」的結果。這個術語由弗里施提出。哈恩和他的合作者發現鈾會在吸收中子後變得不穩定，分裂為較輕的核。邁特納和弗里施發現單個鈾核分裂即可釋放出200 MeV的能量。核分裂的發現讓原子物理學界和公眾非常激動。哈恩和施特拉斯曼在有關核分裂的第二篇論文中預測核分裂會釋放出更多的中子。弗雷德里克·約里奧-居禮團隊在1939年3月證明這是連鎖反應的結果。哈恩於1945年因為發現重核分裂獲得了1944年度的諾貝爾化學獎。

1939年後的研究

1938年底核分裂的發現標誌著核物理研究的中心由歐洲轉移到美國。大量的科學家為躲避反猶迫害和即將到來的戰爭移居至美國。美國的一些大學，特別是紐約的哥倫比亞大學和費米任職的芝加哥大學成為了核研究的新中心。曼哈頓計劃的新基地於1942年在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立。這個戰時研究項目旨在利用鈾和釙由中子引發的連鎖反應所釋放出的大量能量製造核武器。
在1932年中子和正電子發現後，科學家又發現了一系列新粒子，其中包括1936年發現的緲子、1947年發現的π介子和K介子以及1950年發現的Λ粒子。1950年代至1960年，科學家發現了林林總總統稱為強子的粒子。默里·蓋爾曼和喬治·茨威格在1964年提出了叫作「夸克模型」的強子分類方案。在這個模型中，質子和中子這樣的粒子也並不是最基本的粒子，而是由性質各異且更為基本的「部分子」或「夸克」構成。夸克模型在1960年後期得到實驗驗證，並為中子反常的磁矩提供了解釋。