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英国物理学家查德威克:在大师身边成长为大师

 

导读 -

     英国物理学家詹姆士·查德威克因发现中子获1935年诺贝尔物理学奖。为什么是查德威克而不是约里奥·居里夫妇率先发现了中子?答案很简单:因为查德威克是卢瑟福的学生,早就知道自然界有可能存在一种与质子的强相互作用属性很相似的粒子,它的名字叫做中子。这是一个在大师身边工作更容易成为大师的绝佳例子。

 

撰文 | 邢志忠(中国科学院高能物理研究所研究员)

 

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130年前的1891年10月20日,英国物理学家詹姆士·查德威克(James Chadwick)降生在英格兰西北部小城博灵顿的一个普通人家。他的童年主要是在祖父母身边度过的,这一点与科学巨匠艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的童年有些类似。大约在11岁那一年,查德威克来到曼彻斯特与父母团聚,并开始接受中学教育。1907年,中学毕业的查德威克获得了曼彻斯特大学的奖学金,顺利升入大学。就在这一年的5月份,36岁的新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)加盟曼彻斯特大学,冥冥之中为查德威克带来了福音。

 

其实查德威克最初想要在大学攻读的是数学而不是物理学。阴差阳错,他在1908年秋季参加了一场由物理系教师主持的面试。将错就错,生性腼腆的查德威克成为一名物理系的本科生。他在第二学年选修了卢瑟福的电磁学课程,立刻就被这位科学大师的魅力打动了,随后决定跟随卢瑟福做一个具体的科研项目,即研究镭元素的放射性。1911年夏天,他完成了自己的本科学业后,成为卢瑟福的研究生。1912年,查德威克与导师合作发表了他的第一篇学术论文。

 

卢瑟福的杰出科学才能和影响力使得曼彻斯特大学成为核物理学的研究中心,吸引了世界各地的年轻学者前来 “曼彻斯特学派” 朝拜。1912年3月,27岁的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)来到曼彻斯特大学从事博士后研究,他和查德威克很快成为好朋友。一年之后,即1913年7月,玻尔在久负盛名的英国《哲学与科学杂志》Philosophical Magazine and Journal of Science 上发表了一篇重要论文,首次提出了量子化的氢原子模型。这一工作成为量子理论发展史的里程碑之一,也使得玻尔本人荣获了1922年的诺贝尔物理学奖。

 

身处在曼彻斯特大学如此卓越的学术氛围中,年轻的查德威克想要不成功都难。

 

1912年夏天,查德威克以优异的科研纪录获得了硕士学位。尽管卢瑟福希望查德威克继续留在自己身边做研究,但由于其他原因,查德威克还是于1913年秋季来到德国柏林,加入到盖革计数器的发明者汉斯·盖格的实验室。

 

盖革也曾在曼彻斯特工作,是卢瑟福的重要合作者之一,因此爱屋及乌,对查德威克照顾有加。当时柏林是世界核物理学与放射化学的研究中心之一,后来因发现核裂变而名留青史的奥托·哈恩(Otto Hahn)和莉泽·迈特纳(Lise Meitner)等大科学家都在那里工作,这促使查德威克选择原子核的贝塔衰变作为自己的新研究课题。

 

一直以来,学术界以为原子核的贝塔衰变是两体过程:母核裂变成子核,并放射出一个电子,因此后者具有确定的能量,即其能谱应该呈现出的是单能分立谱。但到了1913年,曼彻斯特学派与哈恩实验室给出的初步观测结果却与此预期相矛盾。利用比先前的感光胶片探测技术更先进的盖革计数器,查德威克重新测量了贝塔衰变的电子能量,发现其呈现的是连续变化的谱型。他以单一作者的身份在1914年发表了这一测量结果,立即得到了卢瑟福和哈恩等人的认可,却受到了迈特纳的质疑。1927年,曼彻斯特实验室的查尔斯·埃利斯(Charles Ellis)和威廉·伍斯特(William Wooster)完成了关于贝塔衰变能谱的更可靠测量,确认了电子的能谱为连续谱。他们的实验结果随后也被迈特纳的课题组证实。于是能量在贝塔衰变的过程中是否严格守恒的问题,即所谓的 “能量危机” (energy crisis),成为20世纪20到30年代漂浮在核物理学天空的一朵乌云。

 

为了解释贝塔衰变的连续能谱问题,玻尔提出了在微观世界能量守恒可能只是一个统计平均规律的观点,即对于单个微观反应过程可能存在能量不严格守恒的情况。这一观点无疑与美国物理学家亚瑟·康普顿(Arthur Compton)在1923年发表的光子与电子散射的实验结果相矛盾,后者清楚地表明诸如此类的微观散射过程是严格遵守能量和动量守恒定律的。事实上,要想解释当年的贝塔衰变实验结果,理论家们还面临着另一个挑战:怎样保证初态和末态粒子的总角动量守恒?

 

这时候最有资格说话的人当数1925年1月提出 “不相容原理”(exclusion principle)的奥地利物理学家沃夫冈·泡利(Wolfgang Pauli),因为他对原子核和基本粒子的自旋角动量太敏感了。1930年12月,泡利在一封写给研究原子核放射性的同行们的公开信中,提出了他解决贝塔衰变“能量危机”问题的方案。他假设在原子核的贝塔衰变过程中,除了产生子核和电子,还会释放出一个质量很小、电中性的新粒子,其自旋量子数等于1/2。泡利将这种看不见、摸不着的假想粒子称作“中子”(neutron),显然他还不知道“中子”的概念早在1920年就被卢瑟福发明和占用了——用以描述另一种电中性、质量与质子相当且可以作为原子核基本组分的的假想粒子。后来意大利物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)把泡利设想的 “中子” 改称为 “中微子”(neutrino),意即微小的 “中子”。

 

有了中微子的存在,贝塔衰变反应的能量守恒、动量守恒和角动量守恒都不再是问题;而电子的能谱之所以呈现为连续谱,则是由于电子不得不与中微子分享母核与子核的质量差所对应的反应能量。在这样的三体衰变过程中,中微子携带一部分能量和动量逃之夭夭。但当年的实验技术根本无法证实泡利的假说。直到1956年,作为假想粒子的中微子才首次在反应堆实验中被验明正身。

 

回到1914年8月,查德威克的科研工作由于第一次世界大战的爆发而被迫中断。尽管得到德国同事的保护,作为战争敌对国公民的查德威克还是在当年的11月份遭到当局的逮捕,被关进了柏林西部的一所集中营。不过他在狱中过得并不寂寞,甚至有机会定期给狱友们讲授电磁学和放射性的知识。巧的是,卢瑟福的另一个学生埃利斯也被囚禁在这所集中营,他也因此成了查德威克的好朋友。由于战争所导致的食物短缺,查德威克在狱中因严重的营养不良而患上了消化道疾病。1918年11月,战争终于结束了。查德威克和埃利斯辗转回到自己的祖国英格兰,他们二人后来成为剑桥大学的同事。

 

1930年,剑桥大学出版社出版了卢瑟福、查德威克和埃利斯三人合作撰写的《放射性物质的辐射》一书,系统地总结了氦核(即阿尔法粒子)与氦核、质子以及重原子核的散射实验结果,为强相互作用理论的建立奠定了初步的实验基础。1935年,日本物理学家汤川秀树(Hideki Yukawa)提出原子核之间通过交换轻介子实现相互作用的理论图像,这一工作是他的科研处女作,他一炮而红,并因此于1949年获得了诺贝尔物理学奖。

 

就在1930年,德国科学家沃尔特·博特(Walter Bothe)和赫伯特·贝克(Herbert Becker)在氦核与铍原子核的散射实验中观测到一种穿透力很强、不会在电场中偏转的射线,他们将其理所当然地解释为伽玛射线。两年之后的1932年,居里夫人的长女伊雷娜·约里奥·居里(Irene Joliot-Curie)与丈夫弗雷德里克·约里奥·居里(Frederic Joliot-Curie)重复了这一实验。他们发现用博特和贝克所观测到的射线轰击含有氢原子的物质时,会产生高能质子。那么,这种新型的射线究竟是不是伽马射线呢?

 

当然不是!查德威克和他的导师卢瑟福都不相信约里奥-居里夫妇的实验结果可以解释为质子与光子的康普顿散射。查德威克马上着手设计了一个实验,并在三周之内就得到了自己的测量结果。他发现新型的射线并非伽马射线,而是一种由电中性、质量与质子相当的新粒子构成的束流。1932年2月27日,英国《自然》期刊发表了查德威克的实验结果。他的这篇题为 “可能存在中子”(Possible existence of a neutron)的论文长度不足一页纸,不含有任何公式和图表,仅包含大约700个单词。查德威克在论文的结尾处明确指出,“迄今为止,所有的证据都倾向于中子,而量子假设(即伽马射线假设)不成立,除非在某种程度上放弃能量和动量守恒”。于是中子作为原子核的另外一种基本组分被发现了!1935年,44岁的查德威克因发现中子而荣获了诺贝尔物理学奖。

 

为什么是查德威克而不是约里奥·居里夫妇率先发现了中子?答案很简单:因为查德威克是卢瑟福的学生,早就知道自然界有可能存在一种与质子的强相互作用属性很相似的粒子,它的名字叫做中子。这就是在大师身边工作更容易成为大师的绝佳例子。相比之下,约里奥·居里夫妇不得不承认,尽管他们二人也处在大师(居里夫妇等)云集的科研环境中,却对中子的概念一无所知,因此未能在第一时间对自己的实验结果做出正确的解释,从而错失了发现中子的良机。

 

不过令人欣慰的是,两年后的1934年2月10日,《自然》杂志发表了约里奥·居里夫妇合作完成的一篇题为 “一种新型放射性元素的人工产生” Artificial production of a new kind of radio-element的论文。这篇论文也不足一页纸,仅含有大约620个单词和1个化学反应方程式,但它却是人工放射性的开山问鼎之作。凭借这一发现,约里奥-居里夫妇以超乎寻常的速度拿下1935年的诺贝尔化学奖!人们不禁要问一个有趣的问题:假如约里奥·居里夫妇在1932年正确地理解了自己的实验结果,并宣布发现了中子,那么他们有可能一举包揽1935年诺贝尔物理学和化学两项大奖吗?

 

1935年秋天,在获得诺贝尔奖之前,查德威克被聘为利物浦大学教授。他在那里推动建造了一台回旋加速器,使得利物浦成为欧洲核物理学的研究中心之一。查德威克也是英美两国在曼哈顿计划中开展合作的关键人物,因为中子的发现是制造原子弹的重要前提之一。1948年,查德威克重返剑桥大学,成为科维尔与凯乌斯学院的院长。他于1958年底退休,与妻子搬到北威尔士居住;十年后他们又搬回剑桥,住在离女儿们不远的地方。

 

1974年7月24日,一代物理学宗师查德威克在睡梦中与世长辞,享年83岁。


 主要参考文献:

1) A. Brown, The neutron and the bomb: a biography of Sir James Chadwick, Oxford University Press, New York, 1997.
2) G. Ecker, James Chadwick: a head of his time, arXiv:2007.06926, 2020.
3) J. Chadwick, Possible existence of a neutron, Nature 129 (1932) 312.
4) F. Joliot and I. Curie, Artificial production of a new kind of radio-element, Nature 133 (1934) 201.

 

 



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