- 導讀 - 英國實體學家詹姆士·查德威克因發現中子獲1935年諾貝爾實體學獎。為什麼是查德威克而不是約裡奧·居裡夫婦率先發現了中子？答案很簡單：因為查德威克是盧瑟福的學生，早就知道自然界有可能存在一種與質子的強互相作用屬性很相似的粒子，它的名字叫做中子。這是一個在大師身邊工作更容易成為大師的絕佳例子。
撰文 | 邢志忠（中國科學院高能實體研究所研究員）
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130年前的1891年10月20日，英國實體學家詹姆士·查德威克（James Chadwick）降生在英格蘭西北部小城博靈頓的一個普通人家。他的童年主要是在祖父母身邊度過的，這一點與科學巨匠艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的童年有些類似。大約在11歲那一年，查德威克來到曼徹斯特與父母團聚，并開始接受中學教育。1907年，中學畢業的查德威克獲得了曼徹斯特大學的獎學金，順利升入大學。就在這一年的5月份，36歲的紐西蘭裔英國實體學家歐内斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）加盟曼徹斯特大學，冥冥之中為查德威克帶來了福音。
其實查德威克最初想要在大學攻讀的是數學而不是實體學。陰差陽錯，他在1908年秋季參加了一場由實體系教師主持的面試。将錯就錯，生性腼腆的查德威克成為一名實體系的大學生。他在第二學年選修了盧瑟福的電磁學課程，立刻就被這位科學大師的魅力打動了，随後決定跟随盧瑟福做一個具體的科研項目，即研究鐳元素的放射性。1911年夏天，他完成了自己的大學學業後，成為盧瑟福的研究所學生。1912年，查德威克與導師合作發表了他的第一篇學術論文。
盧瑟福的傑出科學才能和影響力使得曼徹斯特大學成為核實體學的研究中心，吸引了世界各地的年輕學者前來 “曼徹斯特學派” 朝拜。1912年3月，27歲的丹麥實體學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）來到曼徹斯特大學從事博士後研究，他和查德威克很快成為好朋友。一年之後，即1913年7月，玻爾在久負盛名的英國《哲學與科學雜志》（Philosophical Magazine and Journal of Science ）上發表了一篇重要論文，首次提出了量子化的氫原子模型。這一工作成為量子理論發展史的裡程碑之一，也使得玻爾本人榮獲了1922年的諾貝爾實體學獎。
身處在曼徹斯特大學如此卓越的學術氛圍中，年輕的查德威克想要不成功都難。
1912年夏天，查德威克以優異的科研紀錄獲得了碩士學位。盡管盧瑟福希望查德威克繼續留在自己身邊做研究，但由于其他原因，查德威克還是于1913年秋季來到德國柏林，加入到蓋革計數器的發明者漢斯·蓋格的實驗室。
蓋革也曾在曼徹斯特工作，是盧瑟福的重要合作者之一，是以愛屋及烏，對查德威克照顧有加。當時柏林是世界核實體學與放射化學的研究中心之一，後來因發現核裂變而名留青史的奧托·哈恩（Otto Hahn）和莉澤·邁特納（Lise Meitner）等大科學家都在那裡工作，這促使查德威克選擇原子核的貝塔衰變作為自己的新研究課題。
一直以來，學術界以為原子核的貝塔衰變是兩體過程：母核裂變成子核，并放射出一個電子，是以後者具有确定的能量，即其能譜應該呈現出的是單能分立譜。但到了1913年，曼徹斯特學派與哈恩實驗室給出的初步觀測結果卻與此預期相沖突。利用比先前的感光膠片探測技術更先進的蓋革計數器，查德威克重新測量了貝塔衰變的電子能量，發現其呈現的是連續變化的譜型。他以單一作者的身份在1914年發表了這一測量結果，立即得到了盧瑟福和哈恩等人的認可，卻受到了邁特納的質疑。1927年，曼徹斯特實驗室的查爾斯·埃利斯（Charles Ellis）和威廉·伍斯特（William Wooster）完成了關于貝塔衰變能譜的更可靠測量，确認了電子的能譜為連續譜。他們的實驗結果随後也被邁特納的課題組證明。于是能量在貝塔衰變的過程中是否嚴格守恒的問題，即所謂的 “能量危機” （energy crisis），成為20世紀20到30年代漂浮在核實體學天空的一朵烏雲。
為了解釋貝塔衰變的連續能譜問題，玻爾提出了在微觀世界能量守恒可能隻是一個統計平均規律的觀點，即對于單個微觀反應過程可能存在能量不嚴格守恒的情況。這一觀點無疑與美國實體學家亞瑟·康普頓（Arthur Compton）在1923年發表的光子與電子散射的實驗結果相沖突，後者清楚地表明諸如此類的微觀散射過程是嚴格遵守能量和動量守恒定律的。事實上，要想解釋當年的貝塔衰變實驗結果，理論家們還面臨着另一個挑戰：怎樣保證初态和末态粒子的總角動量守恒？
這時候最有資格說話的人當數1925年1月提出 “不相容原理”（exclusion principle）的奧地利實體學家沃夫岡·泡利（Wolfgang Pauli），因為他對原子核和基本粒子的自旋角動量太敏感了。1930年12月，泡利在一封寫給研究原子核放射性的同行們的公開信中，提出了他解決貝塔衰變“能量危機”問題的方案。他假設在原子核的貝塔衰變過程中，除了産生子核和電子，還會釋放出一個品質很小、電中性的新粒子，其自旋量子數等于1/2。泡利将這種看不見、摸不着的假想粒子稱作“中子”（neutron），顯然他還不知道“中子”的概念早在1920年就被盧瑟福發明和占用了——用以描述另一種電中性、品質與質子相當且可以作為原子核基本組分的的假想粒子。後來意大利實體學家恩裡科·費米（Enrico Fermi）把泡利設想的 “中子” 改稱為 “中微子”（neutrino），意即微小的 “中子”。
有了中微子的存在，貝塔衰變反應的能量守恒、動量守恒和角動量守恒都不再是問題；而電子的能譜之是以呈現為連續譜，則是由于電子不得不與中微子分享母核與子核的品質差所對應的反應能量。在這樣的三體衰變過程中，中微子攜帶一部分能量和動量逃之夭夭。但當年的實驗技術根本無法證明泡利的假說。直到1956年，作為假想粒子的中微子才首次在反應堆實驗中被驗明正身。
回到1914年8月，查德威克的科研工作由于第一次世界大戰的爆發而被迫中斷。盡管得到德國同僚的保護，作為戰争敵對國公民的查德威克還是在當年的11月份遭到當局的逮捕，被關進了柏林西部的一所集中營。不過他在獄中過得并不寂寞，甚至有機會定期給獄友們講授電磁學和放射性的知識。巧的是，盧瑟福的另一個學生埃利斯也被囚禁在這所集中營，他也是以成了查德威克的好朋友。由于戰争所導緻的食物短缺，查德威克在獄中因嚴重的營養不良而患上了消化道疾病。1918年11月，戰争終于結束了。查德威克和埃利斯輾轉回到自己的祖國英格蘭，他們二人後來成為劍橋大學的同僚。
1930年，劍橋大學出版社出版了盧瑟福、查德威克和埃利斯三人合作撰寫的《放射性物質的輻射》一書，系統地總結了氦核（即阿爾法粒子）與氦核、質子以及重原子核的散射實驗結果，為強互相作用理論的建立奠定了初步的實驗基礎。1935年，日本實體學家湯川秀樹（Hideki Yukawa）提出原子核之間通過交換輕介子實作互相作用的理論圖像，這一工作是他的科研處女作，他一炮而紅，并是以于1949年獲得了諾貝爾實體學獎。
就在1930年，德國科學家沃爾特·博特（Walter Bothe）和赫伯特·貝克（Herbert Becker）在氦核與铍原子核的散射實驗中觀測到一種穿透力很強、不會在電場中偏轉的射線，他們将其理所當然地解釋為伽瑪射線。兩年之後的1932年，居裡夫人的長女伊雷娜·約裡奧·居裡（Irene Joliot-Curie）與丈夫弗雷德裡克·約裡奧·居裡（Frederic Joliot-Curie）重複了這一實驗。他們發現用博特和貝克所觀測到的射線轟擊含有氫原子的物質時，會産生高能質子。那麼，這種新型的射線究竟是不是伽馬射線呢？
當然不是！查德威克和他的導師盧瑟福都不相信約裡奧-居裡夫婦的實驗結果可以解釋為質子與光子的康普頓散射。查德威克馬上着手設計了一個實驗，并在三周之内就得到了自己的測量結果。他發現新型的射線并非伽馬射線，而是一種由電中性、品質與質子相當的新粒子構成的束流。1932年2月27日，英國《自然》期刊發表了查德威克的實驗結果。他的這篇題為 “可能存在中子”（Possible existence of a neutron）的論文長度不足一頁紙，不含有任何公式和圖表，僅包含大約700個單詞。查德威克在論文的結尾處明确指出，“迄今為止，所有的證據都傾向于中子，而量子假設（即伽馬射線假設）不成立，除非在某種程度上放棄能量和動量守恒”。于是中子作為原子核的另外一種基本組分被發現了！1935年，44歲的查德威克因發現中子而榮獲了諾貝爾實體學獎。
為什麼是查德威克而不是約裡奧·居裡夫婦率先發現了中子？答案很簡單：因為查德威克是盧瑟福的學生，早就知道自然界有可能存在一種與質子的強互相作用屬性很相似的粒子，它的名字叫做中子。這就是在大師身邊工作更容易成為大師的絕佳例子。相比之下，約裡奧·居裡夫婦不得不承認，盡管他們二人也處在大師（居裡夫婦等）雲集的科研環境中，卻對中子的概念一無所知，是以未能在第一時間對自己的實驗結果做出正确的解釋，進而錯失了發現中子的良機。
不過令人欣慰的是，兩年後的1934年2月10日，《自然》雜志發表了約裡奧·居裡夫婦合作完成的一篇題為 “一種新型放射性元素的人工産生” （Artificial production of a new kind of radio-element）的論文。這篇論文也不足一頁紙，僅含有大約620個單詞和1個化學反應方程式，但它卻是人工放射性的開山問鼎之作。憑借這一發現，約裡奧-居裡夫婦以超乎尋常的速度拿下1935年的諾貝爾化學獎！人們不禁要問一個有趣的問題：假如約裡奧·居裡夫婦在1932年正确地了解了自己的實驗結果，并宣布發現了中子，那麼他們有可能一舉包攬1935年諾貝爾實體學和化學兩項大獎嗎？
1935年秋天，在獲得諾貝爾獎之前，查德威克被聘為利物浦大學教授。他在那裡推動建造了一台回旋加速器，使得利物浦成為歐洲核實體學的研究中心之一。查德威克也是英美兩國在曼哈頓計劃中開展合作的關鍵人物，因為中子的發現是制造原子彈的重要前提之一。1948年，查德威克重返劍橋大學，成為科維爾與凱烏斯學院的院長。他于1958年底退休，與妻子搬到北威爾士居住；十年後他們又搬回劍橋，住在離女兒們不遠的地方。
1974年7月24日，一代實體學宗師查德威克在睡夢中與世長辭，享年83歲。
主要參考文獻：
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.