중성자의 발견

중성자의 발견과 그 특성은 20세기 전반의 원자물리학 발전에 매우 중요했다. 세기 초, 어니스트 러더퍼드는 한스 가이거와 어니스트 마즈든의 금박 실험을 바탕으로 원자의 대략적인 모형을 개발했다. 이 모형에서 원자는 질량과 양전하가 매우 작은 원자핵에 집중되어 있었다. 1920년까지 원소의 동위 원소가 발견되었고, 원자 질량은 수소 원자 질량의 (대략) 정수배로 결정되었으며, 원자 번호는 원자핵의 전하로 확인되었다.Byrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, New York, 2011,  1920년대 내내 원자핵은 당시 알려진 두 기본 입자인 양성자와 전자의 조합으로 구성된 것으로 간주되었지만, 이 모형은 여러 실험적, 이론적 모순을 제시했다.

원자핵의 본질은 1932년 제임스 채드윅에 의한 중성자의 발견과 그것이 양성자와 구별되는 새로운 기본 입자라는 결정으로 확립되었다.

전하를 띠지 않는 중성자는 핵 구조를 탐사하는 새로운 수단으로 즉시 활용되어, 중성자 조사에 의한 새로운 방사성 원소 생성(1934년) 및 중성자에 의한 우라늄 원자의 핵분열(1938년)과 같은 발견으로 이어졌다. 핵분열의 발견은 제2차 세계 대전 말까지 원자력과 핵무기의 창조로 이어졌다. 양성자와 중성자는 1960년대까지 기본 입자로 추정되었으나, 이들은 쿼크로 구성된 복합 입자임이 밝혀졌다.

 방사능의 발견 
20세기 초, 원자의 존재에 대한 격렬한 논쟁은 아직 해결되지 않았다. 에른스트 마흐와 빌헬름 오스트발트와 같은 철학자들은 원자가 편리한 수학적 구성물일 뿐이라고 보며 원자의 실재를 부정했지만, 아르놀트 조머펠트와 루트비히 볼츠만과 같은 과학자들은 물리 이론이 원자의 존재를 필요로 한다고 보았다.

방사능은 1896년 프랑스의 과학자 앙리 베크렐이 인광 물질을 연구하던 중 발견했다. 1898년, 캐번디시 연구소의 어니스트 러더퍼드는 일반 물체나 기체를 관통하는 능력에 따라 두 가지 유형의 방사능, 즉 알파선과 베타선을 구별했다. 2년 후, 폴 빌라르는 훨씬 더 높은 투과력을 가진 감마선을 발견했다. 이 방사선들은 곧 알려진 입자들과 동일시되었다. 베타선은 1902년 발터 카우프만에 의해 전자로 밝혀졌고, 알파선은 1907년 러더퍼드와 토머스 로이즈에 의해 헬륨 이온으로 밝혀졌으며, 감마선은 1914년 러더퍼드와 에드워드 안드레이드에 의해 빛의 한 형태인 전자기 방사선으로 밝혀졌다. 이러한 방사선들은 원자에서 방출되는 것으로도 확인되었으므로, 원자 내에서 일어나는 과정에 대한 단서를 제공했다. 반대로, 이 방사선들은 원자 내부를 탐사하기 위한 산란 실험에서 활용될 수 있는 도구로도 인식되었다.

 금박 실험과 원자핵의 발견 

섬네일|360px| 원자핵의 도식으로, 베타- 방사선(핵에서 빠른 전자가 방출되는 것, 동반되는 반중성미자는 생략됨)을 나타낸다. 러더퍼드 핵 모형에서는 붉은 구가 양전하를 띤 양성자였고, 푸른 구는 전자와 단단히 결합되어 순전하를 띠지 않는 양성자였다.삽입 그림은 오늘날 이해되는 자유 중성자의 베타 붕괴를 보여주며, 이 과정에서 전자와 반중성미자가 생성된다.
1908년에서 1913년 사이에 맨체스터 대학교에서 러더퍼드는 한스 가이거와 어니스트 마즈든을 지휘하여 알파 입자가 금속박에 산란될 때 어떤 일이 일어나는지 알아내기 위한 일련의 실험을 수행했다. 현재는 러더퍼드 금박 실험 또는 가이거-마즈든 실험이라고 불리는 이 측정들은, 대부분의 알파 입자가 얇은 금박을 통과할 때 거의 편향되지 않았지만, 일부는 높은 각도로 산란된다는 놀라운 발견을 했다. 이 산란은 일부 알파 입자가 원자 내부의 작지만 밀도가 높은 구성 요소에서 튕겨져 나온다는 것을 나타냈다. 이러한 측정에 기초하여, 1911년까지 러더퍼드는 원자가 양전하를 띤 작고 질량이 큰 핵과 그 주위를 도는 훨씬 더 큰 음전하를 띤 전자 구름으로 구성되어 있다는 것을 알게 되었다. 관찰된 알파 입자의 편향을 설명하기 위해서는 집중된 원자 질량이 필요했으며, 러더퍼드는 산란을 설명하는 수학적 모형을 개발했다.

러더퍼드 모형은 당시에는 대체로 무시되었지만, 닐스 보어가 러더퍼드의 연구 그룹에 합류했을 때 그는 1913년에 핵 주위를 궤도 도는 전자를 위한 보어 모형을 개발했다. 이것은 결국 1920년대 중반까지 양자역학에 기반한 원자 모형으로 이어졌다.

 동위 원소의 발견 
러더퍼드, 가이거, 마즈든의 연구와 동시에, 글래스고 대학교의 방사화학자인 프레더릭 소디는 방사성 물질에 관한 화학 관련 문제를 연구하고 있었다. 소디는 맥길 대학교에서 러더퍼드와 함께 방사능에 대해 연구했다. 1910년까지 우라늄과 납 사이에서 약 40가지의 다른 방사성 원소(방사성 동위 원소라고 불림)가 확인되었지만, 주기율표는 11개의 원소만을 허용했다. 소디와 카지미에시 파얀스는 1913년에 알파 붕괴를 겪는 원소는 주기율표에서 두 칸 왼쪽으로 이동한 원소를 생성하고, 베타 붕괴를 겪는 원소는 주기율표에서 한 칸 오른쪽으로 이동한 원소를 생성한다는 것을 독립적으로 발견했다. 또한, 주기율표에서 같은 위치에 있는 방사성 동위 원소는 화학적으로 동일했다. 소디는 이 화학적으로 동일한 원소들을 동위 원소라고 불렀다.Others had also suggested the possibility of isotopes; for example:
 Strömholm, D. and Svedberg, T. (1909) "Untersuchungen über die Chemie der radioactiven Grundstoffe II." (Investigations into the chemistry of the radioactive elements, part 2), Zeitschrift für anorganischen Chemie, 63: 197–206; see especially page 206.
 Cameron, Alexander Thomas (1910). Radiochemistry. London, England: J. M. Dent & Sons, p. 141. (Cameron also anticipated the displacement law.) 방사능 연구와 동위 원소 발견으로 소디는 1921년 노벨 화학상을 받았다.

섬네일|400 px|애스턴의 세 번째 질량 분석계 복제품
조지프 존 톰슨의 전기장과 자기장에 의한 양전하 원자의 편향 연구를 바탕으로, 프랜시스 애스턴은 1919년 캐번디시 연구소에서 최초의 질량 분석계를 만들었다. 그는 그 후 네온의 두 동위 원소인 과 를 분리할 수 있었다. 애스턴은 모든 입자의 질량이 산소-16 질량과 정수 관계를 가진다는 정수 법칙을 발견했으며,Aston, Francis William. Mass spectra and isotopes. London: Edward Arnold, 1942. 산소-16의 질량을 정확히 16으로 취했다. (오늘날 정수 법칙은 달톤(Da)의 배수로 표현되며, 이는 탄소-12에 대해 정의된다.). 중요한 것은 이 법칙의 유일한 예외는 수소 자체로, 질량 값은 1.008이었다. 초과 질량은 작았지만 실험적 불확실성의 한계를 훨씬 벗어났다.

아인슈타인의 질량-에너지 등가원리가 1905년부터 알려져 있었기 때문에, 애스턴과 다른 사람들은 질량 불일치가 원자의 결합 에너지 때문이라는 것을 빠르게 깨달았다. 여러 수소 원자의 내용물이 단일 원자로 결합될 때, 단일 원자의 에너지는 분리된 수소 원자들의 에너지 합보다 작아야 하며, 따라서 단일 원자의 질량은 수소 원자 질량의 합보다 작다. 애스턴의 동위 원소 연구는 그에게 많은 비방사성 원소에서 동위 원소를 발견하고 정수 법칙을 제창한 공로로 1922년 노벨 화학상을 안겨주었다. 애스턴의 핵 결합 에너지 발견을 언급하며, 1920년 아서 스탠리 에딩턴은 별이 수소(양성자)를 헬륨으로 융합함으로써 에너지를 얻을 수 있으며 더 무거운 원소들이 별에서 형성될 수 있다고 제안했다.

 원자 번호와 모즐리의 법칙 

러더퍼드와 다른 연구자들은 원자의 질량수와 러더퍼드 모형이 작동하는 데 필요한 원자핵의 대략적인 전하 사이의 불균형에 주목했다. 기본 전하 단위로 측정된 원자핵의 전하는 일반적으로 질량수의 약 절반이었다.
안토니우스 반 덴 브록은 대담하게도 필요한 전하(Z로 표시)가 원소의 원자량의 절반이 아니라 주기율표에서 원소의 서수 위치와 정확히 같다고 가설을 세웠다. 그 당시 주기율표에서 원소의 위치는 물리적인 의미를 가지는 것으로 알려져 있지 않았다. 그러나 원소들이 증가하는 원자 질량을 기준으로 배열되었을 때, 화학적 특성의 주기성이 나타났다. 하지만 코발트와 니켈과 같은 이 주기성에 대한 예외가 분명했다.

1913년 맨체스터 대학교에서 헨리 모즐리는 방문한 보어와 함께 새로운 보어 모형에 대해 논의했다. 이 모형은 수소 원자의 전자기 방출 스펙트럼을 설명했으며, 모즐리와 보어는 코발트와 니켈과 같은 더 무거운 원소의 전자기 방출 스펙트럼이 원자량 순서를 따를지, 아니면 주기율표에서의 위치를 따를지 궁금해했다. 1913년에서 1914년에 걸쳐 모즐리는 X선 회절 기술을 사용하여 이 질문을 실험적으로 검증했다. 그는 특정 원소의 X선 스펙트럼에서 가장 강렬한 단파장 선(K-알파 선으로 알려짐)이 주기율표에서의 원소 위치, 즉 원자 번호 Z와 관련이 있다는 것을 발견했다. 실제로 모즐리가 이 명칭을 도입했다. 모즐리는 많은 원소에서 방사선의 주파수가 원자 번호와 간단한 방식으로 관련되어 있음을 발견했다.

1년 안에 현재 모즐리의 법칙이라고 불리는 관계식이 1913년 보어 모형에 다른 원소의 원자 구조에 대한 합리적인 추가 가정을 통해 설명될 수 있음이 밝혀졌다. 보어의 후기 설명에 따르면, 모즐리의 결과는 원자 번호를 측정 가능한 실험량으로 확립했을 뿐만 아니라, 원자핵의 양전하로서 물리적 의미를 부여했다. 원소들은 원자량보다는 원자 번호 순으로 주기율표에 배열될 수 있었다. 이 결과는 주기율표의 조직, 원자의 보어 모형, 그리고 핵에서 알파 산란에 대한 러더퍼드의 모형을 통합했다. 러더퍼드, 보어 등은 이 결과를 원자핵의 본질을 이해하는 데 중요한 진전으로 인용했다.

원자물리학의 추가 연구는 제1차 세계 대전 발발로 중단되었다. 모즐리는 1915년 갈리폴리 전역에서 전사했고, 러더퍼드의 학생인 제임스 채드윅은 1914년부터 1918년까지 전쟁 기간 동안 독일에 억류되었다. 베를린에서 리제 마이트너와 오토 한의 라듐과 우라늄의 방사성 붕괴 사슬을 정밀 화학 분리를 통해 결정하는 연구는 중단되었다. 마이트너는 전쟁의 대부분을 오스트리아 전선 근처에서 영상의학과 엑스선 기술자로 일했고, 화학자인 한은 독가스 연구에 참여했다.

 러더퍼드 핵 모형 
섬네일|어니스트 러더퍼드

1920년 러더퍼드는 왕립학회에서 "원자핵의 구성"이라는 제목으로 베이커리안 강연을 했으며, 원자핵에 대한 최근 실험과 원자핵의 구조에 대한 결론을 요약했다. 1920년까지 원자핵 내에 전자가 존재한다는 것은 널리 가정되었다. 핵은 원자 질량수와 같은 수의 수소 핵으로 구성된다고 가정되었다. 그러나 각 수소 핵이 +1 e의 전하를 가지므로, 핵은 올바른 총 전하를 갖기 위해 더 적은 수의 "-1 e" 전하를 가진 "내부 전자"를 필요로 했다. 양성자의 질량은 전자의 질량보다 약 1800배 크므로, 이 계산에서 전자의 질량은 중요하지 않다. 이러한 모형은 무거운 핵에서 알파 입자의 산란과 많은 동위 원소의 전하 및 질량과 일치했다. 양성자-전자 모형에는 다른 동기가 있었다. 당시 러더퍼드가 언급했듯이, "우리는 원자핵이 양전하를 띤 입자뿐만 아니라 전자를 포함하고 있다고 믿을 강력한 이유가 있다...", 즉, 베타 방사선이 핵에서 방출되는 전자라는 것이 알려져 있었다.

그 강연에서 러더퍼드는 새로운 입자의 존재를 추측했다. 알파 입자는 매우 안정적인 것으로 알려져 있었고, 핵 내에서 그 정체성을 유지한다고 가정되었다. 알파 입자는 4개의 양성자와 2개의 단단히 결합된 전자로 구성되어 +2 전하와 질량 4를 갖는 것으로 추정되었다. 1919년 논문에서, 러더퍼드는 질량 3의 새로운 이중 전하 입자(X++로 표기)를 발견한 것으로 보이는 것을 보고했으며, 이는 3개의 양성자와 단단히 결합된 전자 하나로 구성된 것으로 해석되었다. 이 결과는 러더퍼드에게 두 개의 새로운 입자의 존재 가능성을 시사했다. 하나는 두 개의 양성자와 단단히 결합된 전자 하나로 구성된 것이고, 다른 하나는 하나의 양성자와 단단히 결합된 전자 하나로 구성된 것이다. X++ 입자는 나중에 질량 4를 가지며 단순히 저에너지 알파 입자임이 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 러더퍼드는 질량 2의 +1 전하 입자인 중수소 핵, 그리고 질량 1의 중성 입자인 중성자의 존재를 추측했다. 전자는 1931년 해럴드 유리에 의해 발견된 중수소의 핵이다. 가상의 중성 입자의 질량은 양성자의 질량과 거의 다르지 않을 것이다. 러더퍼드는 이러한 무전하 입자가 사용 가능한 기술로는 감지하기 어렵다고 판단했다.

러더퍼드의 강연 무렵, 핵 내의 양성자-전자 복합체에 대한 유사한 제안을 담은 다른 출판물들이 나타났고, 1921년 미국의 화학자 윌리엄 하킨스는 전하를 띠지 않는 입자를 중성자라고 명명했다. 거의 동시에 양성자라는 단어는 수소 핵에 대해 채택되었다.Rutherford reported acceptance by the British Association of the word proton for the hydrogen nucleus in a footnote to  중성자는 중성을 의미하는 라틴어 어근과 그리스어 어미 -on(전자와 양성자를 모방하여)으로부터 만들어진 것으로 보인다. 그러나 원자와 관련하여 중성자라는 단어는 1899년에도 문헌에서 발견될 수 있다.

러더퍼드와 채드윅은 즉시 케임브리지의 캐번디시 연구소에서 중성자를 찾기 위한 실험 프로그램을 시작했다. 실험은 1920년대 내내 계속되었지만 성공하지 못했다.

러더퍼드의 추측과 가상의 "중성자"는 널리 받아들여지지 않았다. 1931년 원자핵의 구성과 방사능에 대한 자신의 단행본에서 코펜하겐 이론 물리학 연구소의 당시 조지 가모프는 중성자를 언급하지 않았다.George Gamow "Constitution of Atomic Nuclei and Radioactivity".
(The International Series of Monographs on Physics.) Pp.viii + 114.(Oxford: Clarendon Press; London: Oxford University Press, 1931.) 중성자 발견으로 이어질 1932년 파리에서의 측정 당시 이렌 졸리오퀴리와 프레데릭 졸리오는 그 추측을 알지 못했다.

 핵 전자 가설의 문제점 
1920년대 내내 물리학자들은 원자핵이 양성자와 "핵 전자"로 구성되어 있다고 가정했다. 이 가설에 따르면, 질소-14 (14N) 핵은 14개의 양성자와 7개의 전자로 구성되어 순 기본 전하가 +7 단위이고 질량은 14 원자 질량 단위가 될 것이다. 이 핵은 14N 원자를 완성하기 위해 러더퍼드가 "외부 전자"라고 부른 또 다른 7개의 전자에 의해 궤도 도는 것으로 가정되었다. 그러나 이 가설의 문제점은 곧 명백해졌다.

랄프 크로니히는 1926년에 관찰된 원자 스펙트럼의 초미세 구조가 양성자-전자 가설과 모순된다는 점을 지적했다. 이 구조는 원자핵이 궤도 도는 전자의 역학에 미치는 영향으로 인해 발생한다. 가정된 "핵 전자"의 자기 모멘트는 제이만 효과와 유사한 초미세 스펙트럼 선 분할을 생성해야 하지만, 그러한 효과는 관찰되지 않았다. 전자의 자기 모멘트가 핵 내부에 있을 때 사라지는 것처럼 보였다.

1928년 위트레흐트 대학교를 방문했을 때, 크로니히는 N2+의 회전 스펙트럼에서 놀라운 측면을 알게 되었다. 위트레흐트 물리 연구소장인 레너드 오르스틴이 수행한 정밀 측정은 질소 핵의 스핀이 1과 같아야 함을 보여주었다. 그러나 질소-14 (14N) 핵이 14개의 양성자와 7개의 전자로 구성되어 있다면, 홀수 개의 스핀-1/2 입자이므로 결과적인 핵 스핀은 반정수여야 한다. 따라서 크로니히는 아마도 "양성자와 전자가 핵 외부에서처럼 정체성을 유지하지 못하는 것 같다"고 제안했다.

1929년 프랑코 라세티가 라만 분광법을 사용하여 이원자 분자의 회전 에너지 준위를 관찰한 결과는 양성자-전자 가설에서 예상되는 통계와 일치하지 않았다. 라세티는 H2와 N2 분자의 띠 스펙트럼을 얻었다. 두 이원자 분자 모두에서 선은 밝고 어두운 강도 교차를 보였지만, H2의 교차 패턴은 N2의 패턴과 반대였다. 이 실험 결과를 신중하게 분석한 후, 독일 물리학자 발터 하이트러와 게르하르트 헤르츠베르크는 수소 핵은 페르미 통계를 따르고 질소 핵은 보스 통계를 따른다는 것을 보여주었다. 그러나 당시 미발표된 유진 위그너의 결과는 홀수 개의 스핀-1/2 입자로 구성된 복합 시스템은 페르미 통계를 따라야 하며, 짝수 개의 스핀-1/2 입자로 구성된 시스템은 보스 통계를 따른다는 것을 보여주었다. 질소 핵이 21개의 입자를 가졌다면, 사실과 달리 페르미 통계를 따라야 했다. 따라서 하이트러와 헤르츠베르크는 "핵 안의 전자는 ... 핵의 통계를 결정하는 능력을 상실한다"고 결론 내렸다.

1928년 오스카르 클레인이 발견한 클레인 역설은 핵 안에 갇힌 전자의 개념에 대한 추가적인 양자역학적 반론을 제시했다. 디랙 방정식에서 파생된 이 명확하고 정확한 역설은 높은 퍼텐셜 장벽에 접근하는 전자가 쌍생성 과정을 통해 장벽을 통과할 확률이 높다는 것을 시사했다. 분명히 전자는 어떤 퍼텐셜 우물로도 핵 내부에 갇힐 수 없었다. 이 역설의 의미는 당시 격렬하게 논의되었다.

1930년경에는 핵에 대한 양성자-전자 모형을 양자역학의 하이젠베르크 불확정성 원리와 조화시키기 어렵다는 것이 일반적으로 인식되었다. 이 관계 는 원자핵 크기 영역에 갇힌 전자가 일반적으로 약 40 MeV의 운동 에너지를 가진다는 것을 의미하며, 이는 핵에서 방출되는 베타 입자의 관찰된 에너지보다 크다. 이러한 에너지는 핵자의 결합 에너지보다도 훨씬 크다. 애스턴 등이 보여주었듯이 핵자당 9 MeV 미만이었다.

1927년, 캐번디시 연구소의 찰스 엘리스와 W. 우스터는 베타 붕괴 전자의 에너지를 측정했다. 그들은 특정 방사성 핵에서 방출되는 에너지 분포가 넓고 연속적이라는 것을 발견했으며, 이는 알파 및 감마 붕괴에서 관찰되는 뚜렷한 에너지 값과 현저한 대조를 이루었다. 더욱이, 연속적인 에너지 분포는 이 "핵 전자" 과정에서 에너지가 보존되지 않는다는 것을 시사하는 것처럼 보였다. 실제로 1929년 보어는 연속적인 에너지 분포를 설명하기 위해 에너지 보존 법칙을 수정할 것을 제안했다. 이 제안은 베르너 하이젠베르크의 지지를 얻었다. 양자역학의 법칙이 최근 고전역학의 법칙을 뒤집었기 때문에 그러한 고려는 분명히 합리적이었다.

이 모든 고려 사항들이 전자가 핵 안에 존재할 수 없다는 것을 "증명"하지는 않았지만, 물리학자들이 해석하기에는 혼란스럽고 도전적이었다. 위의 주장들이 어떻게 틀릴 수 있는지 설명하기 위해 많은 이론들이 고안되었다. 1931년 자신의 단행본에서 가모프는 이 모든 모순들을 요약하며, 핵 내 전자와 관련된 진술에 경고 기호를 표시했다.

 중성자의 발견 
1930년 독일 기센의 발터 보테와 그의 협력자 헤르베르트 베커는 폴로늄에서 방출되는 고에너지 알파 입자가 특정 가벼운 원소, 특히 베릴륨 (), 붕소 (), 또는 리튬 ()에 떨어지면, 특이하게 투과력이 강한 방사선이 생성된다는 것을 발견했다. 베릴륨은 가장 강렬한 방사선을 생성했다. 폴로늄은 고에너지 알파 방사선을 생성하는 고방사성 물질이며, 당시 산란 실험에 흔히 사용되었다. 알파 방사선은 전하를 띤 입자로 구성되어 있기 때문에 전기장의 영향을 받을 수 있다. 그러나 관찰된 투과성 방사선은 전기장의 영향을 받지 않았으므로 감마선으로 생각되었다. 이 방사선은 알려진 어떤 감마선보다 투과력이 강했으며, 실험 결과의 세부 사항을 해석하기 어려웠다.

섬네일|375px| 1932년 중성자 발견에 사용된 실험의 개략도. 왼쪽에는 폴로늄 선원을 사용하여 베릴륨에 알파 입자를 조사하여 전하를 띠지 않는 방사선을 유도했다. 이 방사선이 파라핀에 부딪히면 양성자가 방출되었다. 양성자는 작은 이온화 챔버를 사용하여 관찰되었다. 채드윅 (1932)에서 발췌.

2년 후, 파리의 이렌 졸리오퀴리와 프레데릭 졸리오는 이 미지의 방사선이 파라핀이나 다른 수소 함유 화합물에 닿으면 매우 높은 에너지(5 MeV)의 양성자를 방출한다는 것을 보여주었다. 이 관찰 자체는 새로운 방사선의 감마선 특성과 모순되지 않았지만, 그 해석(콤프턴 산란)에는 논리적인 문제가 있었다. 에너지와 운동량 측면에서, 감마선은 무거운 양성자를 산란시키려면 불가능할 정도로 높은 에너지(50 MeV)를 가져야 했다. 로마에서 젊은 물리학자 에토레 마요라나는 새로운 방사선이 양성자와 상호 작용하는 방식이 양성자만큼 무거운 중성 입자를 필요로 한다고 선언했지만, 엔리코 페르미의 격려에도 불구하고 자신의 결과를 출판하는 것을 거부했다.Zichichi, A., Ettore Majorana: genius and mystery, CERN Courier, 25 July 2006, Access date: 16 November 2017.

파리 결과에 대해 들은 러더퍼드와 제임스 채드윅은 캐번디시 연구소에서도 감마선 가설이 에너지를 보존하지 못했기 때문에 믿지 않았다. 노먼 페더의 도움을 받아, 채드윅은 감마선 가설이 유지될 수 없음을 보여주는 일련의 실험을 신속하게 수행했다. 전년도에 채드윅, J.E.R. 콘스터블, 그리고 E.C. 폴라드는 이미 폴로늄에서 나오는 알파 방사선을 사용하여 가벼운 원소를 붕괴시키는 실험을 수행했다. 그들은 또한 방출된 양성자를 감지, 계산, 기록하는 더 정확하고 효율적인 방법을 개발했다. 채드윅은 베릴륨을 사용하여 알파 입자를 흡수하여 방사선을 생성하는 실험을 반복했다:   파리 실험에 따라, 그는 수소 함량이 높은 탄화수소인 파라핀에 방사선을 조사하여 양성자가 밀집된 표적을 제공했다. 파리 실험에서와 같이, 방사선은 일부 양성자를 고에너지로 산란시켰다. 채드윅은 이 양성자들의 범위를 측정하고, 새로운 방사선이 다양한 기체의 원자에 어떻게 영향을 미치는지도 측정했다. 반동 에너지 측정 결과, 방사선 입자의 질량이 양성자의 질량과 유사해야 한다는 것이 밝혀졌다. 즉, 새로운 방사선은 감마선으로 구성될 수 없었다. 양성자와 거의 같은 질량을 가진 전하를 띠지 않는 입자는 러더퍼드가 1920년에 기술하고 나중에 중성자라고 불린 속성과 일치했다. 채드윅은 이 발견으로 1935년 노벨 물리학상을 받았다.

1932년은 나중에 캐번디시 연구소의 핵물리학에 있어 "기적의 해"로 불리게 되었는데, 중성자의 발견, 콕크로프트-월튼 가속기에 의한 인공 핵붕괴, 그리고 양전자의 발견이 있었기 때문이다.

 핵의 양성자-중성자 모형 
섬네일|360px| 수소, 헬륨, 리튬, 네온 원자의 핵과 전자 에너지 준위를 묘사한 모형. 실제 핵의 지름은 원자의 지름보다 약 100,000배 작다.

양성자-전자 모형의 문제점을 감안할 때,Friedlander, G.; Kennedy, J.W.; Miller, J.M. (1964) Nuclear and Radiochemistry (2nd edition), Wiley, pp. 22–23 and 38–39 원자핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있다는 것은 빠르게 받아들여졌다. 비록 중성자의 정확한 본질은 처음에는 불분명했지만 말이다. 중성자 발견 후 몇 달 만에 베르너 하이젠베르크와 드미트리 이바넨코Iwanenko, D.D., The neutron hypothesis, Nature. 129 (1932) 798.는 핵에 대한 양성자-중성자 모형을 제안했다.Miller A. I. Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook, Cambridge University Press, Cambridge, 1995, , pp. 84–88. 하이젠베르크의 획기적인 논문들은 양자역학을 통해 핵 내 양성자와 중성자를 기술하는 데 접근했다. 하이젠베르크의 핵 내 양성자와 중성자에 대한 이론은 "핵을 양자역학적 시스템으로 이해하는 데 중요한 진전"이었지만, 그는 여전히 핵 전자의 존재를 가정했다. 특히, 하이젠베르크는 중성자가 양성자-전자 복합체라고 가정했는데, 이에 대한 양자역학적 설명은 없었다. 하이젠베르크는 가벼운 전자가 핵 내에 어떻게 묶일 수 있는지 설명하지 못했다. 하이젠베르크는 핵자를 묶는 핵 교환력에 대한 첫 번째 이론을 도입했다. 그는 양성자와 중성자를 같은 입자의 다른 양자 상태, 즉 핵 아이소스핀 양자수의 값으로 구별되는 핵자로 간주했다.

양성자-중성자 모형은 이질소의 수수께끼를 해결했다. 14N이 각각 3쌍의 양성자와 중성자, 그리고 짝을 이루지 않은 중성자와 양성자가 각각 같은 방향으로 스핀  ħ를 기여하여 총 스핀이 1 ħ가 된다고 제안되었을 때, 이 모형은 타당해졌다. 곧 중성자는 같은 방식으로 많은 다른 핵종의 스핀 차이를 자연스럽게 설명하는 데 사용되었다.

핵에 대한 양성자-중성자 모형이 많은 문제를 해결했지만, 베타 붕괴의 기원을 설명하는 문제는 부각되었다. 기존의 어떤 이론도 전자나 양전자가 어떻게 핵에서 방출될 수 있는지 설명할 수 없었다. 1934년 엔리코 페르미는 베타 붕괴 과정을 설명하는 그의 고전적인 논문을 발표했는데, 여기서 중성자는 전자와 (아직 발견되지 않은) 중성미자를 생성하며 양성자로 붕괴한다. 이 논문은 광자 또는 전자기 방사선이 원자 과정에서 유사하게 생성되고 소멸된다는 유추를 사용했다. 이바넨코는 1932년에 유사한 유추를 제안했다. 페르미의 이론은 중성자가 스핀- 입자여야 한다고 요구한다. 이 이론은 베타 입자의 연속적인 에너지 분포로 인해 의문이 제기되었던 에너지 보존 원리를 보존했다. 페르미가 제안한 베타 붕괴의 기본 이론은 입자들이 어떻게 생성되고 소멸될 수 있는지를 보여준 최초의 이론이었다. 이는 약력 또는 강력에 의한 입자 상호 작용에 대한 일반적인, 기본 이론을 확립했다. 이 영향력 있는 논문은 시간의 시험을 견뎌냈지만, 그 안에 담긴 아이디어는 너무나 새로워서 1933년 네이처 저널에 처음 제출되었을 때 너무 사변적이라는 이유로 거부되었다.

 중성자의 본질 
섬네일|upright=1.4|1933년 제7차 솔베이 회의.

중성자가 양성자와 전자의 복합 입자인지 여부에 대한 의문은 발견 후 몇 년 동안 지속되었다. 1932년 해리 매시는 중성자의 높은 물질 투과력과 전기적 중성을 설명하기 위한 복합 중성자 모형을 탐구했다. 예를 들어, 1920년대부터 유일한 기본 입자가 양성자와 전자라는 지배적인 견해의 유산이었다.

중성자의 본질은 1933년 10월에 개최된 제7차 솔베이 회의의 주요 논의 주제였으며, 이 회의에는 하이젠베르크, 닐스 보어, 리제 마이트너, 어니스트 로런스, 페르미, 채드윅 등이 참석했다. 채드윅이 1933년 베이커리안 강연에서 제기했듯이, 주요 질문은 양성자에 대한 중성자의 질량이었다. 만약 중성자의 질량이 양성자와 전자의 결합 질량(‍)보다 작다면, 중성자는 핵 결합 에너지로 인한 질량 결손 때문에 양성자-전자 복합체일 수 있었다. 만약 결합 질량보다 크다면, 중성자는 양성자와 마찬가지로 기본 입자였다. 이 질문에 답하기 어려웠던 것은 전자의 질량이 양성자 질량의 0.05%에 불과했기 때문에 예외적으로 정밀한 측정이 필요했기 때문이다.

이 측정의 어려움은 1932년부터 1934년까지 얻은 중성자 질량 값의 넓은 범위에 의해 잘 나타난다. 오늘날 받아들여지는 값은 이다. 채드윅의 1932년 발견 보고 논문에서 그는 중성자의 질량을 에서  사이로 추정했다. 프레데릭 졸리오와 이렌 졸리오퀴리는 붕소에 알파 입자를 충돌시켜 높은 값인 를 얻었지만, 어니스트 로런스의 캘리포니아 대학교 팀은 새로운 사이클로트론을 사용하여 작은 값인 를 측정했다.

1935년 채드윅과 그의 박사 과정 학생 모리스 골드하버는 중성자 질량의 첫 번째 정확한 측정을 보고하여 문제를 해결했다. 그들은 탈륨-208 (208Tl)의 2.6 MeV 감마선(당시 토륨 C"로 알려짐)을 사용하여 중수소를 광붕괴시켰다.
 {| border="0"
|- style="height:2em;"
| ||+ || ||→ || ||+ ||
|}
이 반응에서 생성된 양성자와 중성자는 질량이 거의 같기 때문에 운동 에너지도 거의 같다. 결과적인 양성자의 운동 에너지를 측정할 수 있었고(0.24 MeV), 따라서 중수소의 결합 에너지도 결정할 수 있었다(2.6 MeV − 2(0.24 MeV) = 2.1 MeV, 또는 ). 중성자의 질량은 간단한 질량 균형으로 결정될 수 있었다.
{| border="0"
|- style="height:2em;"
|md ||+ ||b.e. ||= ||mp ||+ ||mn
|}
여기서 md,p,n은 각각 중수소, 양성자, 중성자의 질량을 나타내고 "b.e."는 결합 에너지이다. 중수소와 양성자의 질량은 알려져 있었다. 채드윅과 골드하버는 각각 2.0142 Da와 1.0081 Da의 값을 사용했다. 그들은 중성자의 질량이 양성자의 질량보다 약간 크다는 것을 발견했는데, 중수소 질량에 사용된 정확한 값에 따라  또는 였다. 중성자의 질량은 양성자-전자 복합체가 되기에는 너무 컸으므로, 중성자는 기본 입자로 확인되었다.  채드윅과 골드하버는 자유 중성자가 양성자, 전자, 중성미자(베타 붕괴)로 붕괴할 수 있을 것이라고 예측했다.

 1930년대 중성자 물리학 

중성자가 발견된 직후, 간접적인 증거는 중성자가 예상치 못한 비영(非零) 자기 모멘트 값을 가지고 있음을 시사했다. 중성자의 자기 모멘트를 측정하려는 시도는 1933년 함부르크의 오토 슈테른이 양성자가 비정상적으로 큰 자기 모멘트를 가지고 있음을 발견하면서 시작되었다. 1934년까지 피츠버그의 슈테른이 이끄는 그룹과 뉴욕의 I. I. 라비가 이끄는 그룹은 독립적으로 양성자와 중수소의 자기 모멘트를 측정하여 중성자의 자기 모멘트가 음수이며 예상외로 크다는 것을 추론했다. 중성자의 자기 모멘트 값은 로버트 바커 (1933년)가 앤아버에서, I.Y. 탐과 S.A. 알트슐러 (1934년)가 소련에서 원자 스펙트럼의 초미세 구조 연구를 통해 결정했다. 1930년대 후반에는 라비 그룹이 새로 개발된 핵자기 공명 기술을 사용한 측정을 통해 중성자의 자기 모멘트에 대한 정확한 값을 추론했다. 양성자의 자기 모멘트가 크고 중성자의 자기 모멘트가 음수라는 추론은 예상외였으며 많은 질문을 제기했다.

섬네일|1934년경 로마 대학교 판니스페르나 거리 물리학 연구소 안뜰에서 페르미와 그의 학생들(판니스페르나 거리 아이들). 왼쪽부터 오스카르 다고스티노, 에밀리오 지노 세그레, 에두아르도 아마디, 프랑코 라세티, 페르미.

중성자의 발견은 과학자들에게 원자핵의 특성을 탐사하는 새로운 도구를 즉시 제공했다. 알파 입자는 지난 수십 년 동안 산란 실험에 사용되었지만, 헬륨 핵인 이러한 입자들은 +2 전하를 가지고 있다. 이 전하는 알파 입자가 쿨롱 반발력을 극복하고 원자의 핵과 직접 상호 작용하는 것을 어렵게 만든다. 중성자는 전하를 가지고 있지 않으므로, 이 힘을 극복할 필요 없이 핵과 상호 작용할 수 있다. 중성자가 발견되자마자 채드윅의 동료이자 제자인 노먼 페더는 질소와의 산란 실험에 중성자를 사용했다. 페더는 중성자가 질소 핵과 상호 작용하여 양성자로 산란되거나 질소가 알파 입자 방출과 함께 붕소로 붕괴하도록 유도한다는 것을 보여줄 수 있었다. 따라서 페더는 중성자가 핵 붕괴를 일으킨다는 것을 처음으로 보여주었다.

로마에서 엔리코 페르미와 그의 팀은 중성자로 더 무거운 원소를 충돌시켜 생성물이 방사성임을 발견했다. 1934년까지 그들은 중성자를 사용하여 22개의 다른 원소, 그 중 많은 수가 높은 원자 번호를 가진 원소에서 방사능을 유도했다. 그의 실험실에서 중성자를 이용한 다른 실험들이 대리석 탁자보다 나무 탁자에서 더 잘 작동하는 것을 보고, 페르미는 나무의 양성자가 중성자의 속도를 늦추어 중성자가 핵과 상호 작용할 가능성을 높인다고 의심했다. 따라서 페르미는 중성자를 파라핀을 통과시켜 속도를 늦추었고, 일부 충돌된 원소의 방사능이 수십에서 수백 배 증가한다는 것을 발견했다. 핵과의 상호 작용 단면적은 빠른 중성자보다 느린 중성자에서 훨씬 크다. 1938년 페르미는 "중성자 조사에 의해 생성된 새로운 방사성 원소의 존재를 입증하고, 느린 중성자에 의해 유발된 핵반응을 발견한 공로"로 노벨 물리학상을 받았다. 나중에 페르미는 수브라마니안 찬드라세카르에게 원래는 납 조각을 놓을 계획이었으나, 설명할 수 없는 직관적인 느낌으로 인해 대신 파라핀을 그 자리에 놓았다고 말했다.Chandrasekhar, S., Enrico Fermi: Collected Papers (Chicago: University of Chicago Press, 1962), Vol. II, pp. 926-927.

섬네일|left|upright|1913년 실험실의 리제 마이트너와 오토 한.
섬네일|right|우라늄-235가 중성자를 흡수하여 발생하는 핵분열. 무거운 핵종이 더 가벼운 구성 요소와 추가 중성자로 분열된다.

베를린에서 리제 마이트너와 오토 한의 협력, 그리고 그들의 조수 프리츠 슈트라스만은 페르미와 그의 팀이 중성자로 우라늄을 충돌시키면서 시작된 연구를 더욱 발전시켰다. 1934년에서 1938년 사이에 한, 마이트너, 슈트라스만은 이 실험들에서 엄청난 수의 방사성 전이 생성물을 발견했는데, 이들 모두를 초우라늄 원소로 간주했다. 초우라늄 핵종은 중성자 흡수에 의해 형성되며 우라늄(92)보다 큰 원자 번호를 가진 핵종으로, 자연적으로 발생하지 않는다. 1938년 7월, 마이트너는 안슐루스 이후 나치 독일의 반유대주의 박해를 피해 스웨덴에서 새로운 직책을 확보할 수 있었다. 1938년 12월 16-17일의 결정적인 실험( "라듐-바륨-메조토륨 분획"이라는 화학 공정 사용)은 당혹스러운 결과를 낳았다. 그들이 세 가지 라듐 동위 원소로 이해했던 것이 대신 바륨으로 일관되게 작용하는 것이었다. 라듐(원자 번호 88)과 바륨(원자 번호 56)은 같은 화학족에 속한다. 1939년 1월까지 한은 그들이 초우라늄 핵종이라고 생각했던 것이 바륨, 란타넘, 세륨, 가벼운 백금족 원소와 같은 훨씬 더 가벼운 핵종이라는 결론을 내렸다. 마이트너와 그녀의 조카 오토 로베르트 프리슈는 이 관찰들을 즉시 그리고 정확하게 핵분열의 결과로 해석했으며, 이 용어는 프리슈가 만들었다.

한과 그의 공동 연구자들은 중성자 흡수에 의해 불안정해진 우라늄 핵이 더 가벼운 원소로 분열되는 것을 감지했다. 마이트너와 프리슈는 또한 각 우라늄 원자의 핵분열이 약 200 MeV의 에너지를 방출한다는 것을 보여주었다. 핵분열의 발견은 전 세계의 원자 물리학계와 대중을 전율시켰다. 핵분열에 대한 두 번째 출판물에서 한과 슈트라스만은 핵분열 과정 동안 추가 중성자의 존재와 방출을 예측했다. 프레데릭 졸리오와 그의 팀은 1939년 3월에 이 현상이 핵 연쇄 반응임을 입증했다. 1945년 한은 "무거운 원자핵의 핵분열을 발견한 공로"로 1944년 노벨 화학상을 받았다.

 1939년 이후 
섬네일|left|최초의 원자폭탄은 1945년 맨해튼 계획의 트리니티 실험에서 폭발되었다.

1938년 말 핵분열의 발견은 핵 연구의 중심이 유럽에서 미국으로 이동하는 계기가 되었다. 수많은 과학자들이 유럽의 문제와 반유대주의 그리고 다가오는 제2차 세계 대전을 피해 미국으로 이주하고 있었다 (유대인 과학자들과 맨해튼 계획 참고). 새로운 핵 연구의 중심지는 미국의 대학들, 특히 뉴욕의 컬럼비아 대학교와 엔리코 페르미가 재배치된 시카고 대학교, 그리고 1942년에 설립된 로스앨러모스, 뉴멕시코주의 비밀 연구 시설인 맨해튼 계획의 새로운 본거지였다. 이 전시 프로젝트는 중성자 기반 연쇄 반응을 통해 우라늄 또는 플루토늄의 핵분열로 방출되는 엄청난 에너지를 활용하여 핵무기 건설에 집중했다.

1932년 중성자와 양전자의 발견은 많은 새로운 입자들의 발견의 시작이었다. 뮤온은 1936년에 발견되었다. 파이 중간자와 케이 중간자는 1947년에 발견되었고, 람다 중입자는 1950년에 발견되었다. 1950년대와 1960년대 내내 강입자라고 불리는 많은 입자들이 발견되었다. 1964년에 머리 겔만과
조지 츠바이크에 의해 독립적으로 제안된 이 모든 입자들을 분류하는 체계는 쿼크 모형으로 알려지게 되었다. 이 모형에 따르면, 양성자와 중성자와 같은 입자들은 기본 입자가 아니라 쪽입자 또는 쿼크라고 불리는 소수의 다른 진정한 기본 입자들의 다양한 구성으로 이루어져 있었다. 쿼크 모형은 1960년대 후반부터 실험적으로 검증되었고 마침내 중성자의 비정상적인 자기 모멘트에 대한 설명을 제공했다.

 같이 보기 
  어니스트 러더퍼드가 1935년 핵물리학의 상태를 요약한다. (7분, Nobelprize.org)
  한스 베테가 중수소 붕괴에 대한 채드윅과 골드하버의 연구를 논한다. (2분, Web of Stories)

 내용주 

 각주 

 외부 링크 
 Annotated bibliography for neutrons from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
 Abraham Pais, Inward Bound, Oxford: Oxford University Press, 1986. .
 Herwig Schopper, Weak interactions and nuclear beta decay, Publisher, North-Holland Pub. Co., 1966. 
 Ruth Lewin Sime, Lise Meitner: A Life in Physics, Berkeley, University of California Press, 1996. .
 Roger H. Stuewer, "The Nuclear Electron Hypothesis". In Otto Hahn and the Rise of Nuclear Physics, William R. Shea, ed. Dordrecht, Holland: D. Riedel Publishing Company. pp. 19–67, 1983. .
 Sin-Itiro Tomonaga, The Story of Spin'', The University of Chicago Press, 1997. 

분류:물리학사
분류:중성자