100年前的一篇演講內容，開啟原子物理學的新篇章

1920年6月3日，

歐內斯特·盧瑟福

（Ernest Rutherford）發表了一次關於

原子核

構成的公開演講。這位原子核和質子的發現者認為，自然界中應該存在著一種新的、電中性的粒子。這一粒子後來被稱之為

中子

。

中子的發現

查德威克在用α粒子撞擊鈹的實驗中發現了呈電中性的中子輻射。

一戰期間，英國物理學家

詹姆斯·查德威克

（James Chadwick）曾被困於德國的一間監獄長達四年之久。一戰結束後，他回到英國，追隨本科時期的導師盧瑟福，開始在劍橋大學的卡文迪許實驗室從事伽馬射線和原子核結構的研究工作。那時，盧瑟福已經提出了關於中子存在的想法。

1930年，德國物理學家

瓦爾特·博特

（Walther Bothe）和

赫伯特·貝克爾

（Herbert Becker）證明當鈹被α粒子擊中時，會發射出一種強大的穿透性輻射。

伊雷娜·約里奧-居里

（Irene Joliot-curie）和

讓·弗雷德裡克·約里奧-居里

（Frederic Joliot）證明，如果讓這種未知的輻射透過石蠟，或任何其他含氫化合物上，都會釋放出高能的質子。他們認為，這可能是一種高能的電磁輻射，比如γ輻射。但查德威克不這樣認為，因為這種輻射的穿透性比γ輻射還要強。

查德威克進行了一系列實驗來研究，他的目標在於尋找一種

質量大致與質子相同的中性粒子

。實驗非常成功，他發現當擊中鈹的α粒子被鈹原子核捕獲時，可以形成一個碳原子核，並釋放一箇中性粒子，這種粒子的質量大約比質子高0。1%。雖然這種粒子雖然與盧瑟福最初的理解不同，但這就是他想要尋找的中子。

1932年2月27日，查德威克在《自然》雜誌上發表了一篇論文，證實了中子的存在，他也因此獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

這一發現讓眾多在此前不相信盧瑟福的物理學家感到意外，但美國化學家

威廉·哈金斯

（William Harkins）卻是個例外，因為他在1921年也提出了類似的建議，並且是首個在出版物中使用“中子”一詞的人。物理學家至今仍不能確定，哈金斯和盧瑟福中究竟誰才是最先將這種電中性的粒子命名為中子的。

中子的結構

中子是由下夸克（d）和上夸克（u）構成的。負責傳遞強核力的膠子會將夸克牢牢地”粘“在一起。

中子是構成物質的主要亞原子粒子之一，它們廣泛存在於宇宙之中。和質子一樣，中子也被歸類為強子，是一類受強核力作用影響的粒子。

中子由三個

夸克

組成，兩個

下夸克

（d）和一個

上夸克

（u），下夸克攜帶−⅓個單位電荷，上夸克攜帶+⅔個單位電荷，因而結合成為不帶電的中性粒子。中子不受電力作用的影響，但卻有輕微的電荷分佈，由此導致了中子的非零磁矩（偶極矩），因此中子也能透過電磁力相互作用，但這種作用力比質子間的要弱得多。

中子衰變之謎

兩種測量中子壽命的不同方法給出了不同的結果，但沒有人知道問題出在哪裡。

中子在原子內部是穩定的，但

自由的中子卻只能存在大約15分鐘，之後就會衰變成質子、電子和反中微子

。然而，物理學家並不知道中子的確切壽命究竟有多長。因為當他們透過兩種精確方法測量中子的壽命時，得到了不同的答案。

第一種方法被稱為“瓶”方法，研究人員將自由的中子放入一個瓶子中，然後在一段時間後計算還剩下多少箇中子，測得中子平均壽命為

(879.3±0.7514)秒

，即14分39秒。第二種方法被稱為“束”方法，它需要把中子注入一個可以計算中子衰變時產生的質子數的探測器中。這種實驗方法給出的結果是

(888±2.1)秒

，即14分48秒，比瓶方法多出了9秒。

中子的平均壽命在核物理學、粒子物理學和宇宙學中都扮演著重要的角色。可惜的是，物理學家至今仍無法解釋這種差異。因此，他們正試圖透過使用更加精妙的實驗儀器和設計，來接近這一問題的答案。

中子星

經歷了超新星爆發形成的中子星擁有非常特別的核心，但科學家尚無法知曉其核心究竟是什麼樣子的。

1934年，在查德威克發現中子兩年之後，天文學家

弗裡茨·茲威基

（Fritz Zwicky）和

沃爾特·巴德

（Walter Baade）就提出，當一顆大質量恆星耗盡燃料，它的核心會被自身的巨大引力劇烈壓縮，最終形成了一顆極端緻密的

中子星

。他們還提出，這種恆星核的內爆會引發恆星外層的巨大爆發，茲威基將之稱為

超新星

。

60年代中期，射電天文學家發現了銀河系中的第一顆中子星，證實了茲威基的預言。

中子星的密度非常大，一個質量約為1。4到2。5個太陽質量的恆星，可以被壓縮成一個直徑約為20千米的城市大小的球體。然而，由於中子星的核心太過於緻密，物理學家無法在實驗室中創造相似的條件來對其進行研究，因此並不確定在核心處究竟發生了什麼。

一般說來，科學家認為中子星的最外層是一層大氣，由氫和氦等輕元素構成；大氣層之下是一層由更重的離子（比如鐵離子）構成的外殼；在外殼之下的一層中，離子會被壓縮成晶格；在此之下，是一層充滿了自由中子和離子的外核；而最核心則是緊密排列的核子與完整的夸克。

中子源

散裂中子源示意圖。

從學術研究到核能專案，從醫學到石油勘探，中子的製造都具有非凡的意義。因此，設計和製造能釋放中子的中子源裝置便顯得尤為重要。中子源有很多種，其中

反應堆中子源

和

散裂中子源

是可以產生高通量中子的大型核設施。

基於核反應堆的中子源能提供穩定、連續的中子流。而散裂中子源則需要用高能質子束與金屬原子核發生撞擊，使金屬原子核被破壞成兩個或三個更小的原子核以及若干中子。

目前，世界上正在執行的散裂中子源有美國的SNS、英國的ISIS，以及位於瑞典的ESS等。2017年，位於廣東省的中國散裂中子源生成了第一束中子，標誌著我國對中子的研究向前邁進了一大步。

自盧瑟福提出存在中子這一想法以來，100年過去了。它的提出和發現是20世紀原子物理發展的重要里程碑，它改變了我們對原子的認識，讓我們知道組成物質基本結構的不僅僅只有質子和電子，還有第三種粒子。

而它的存在也很快科學家意識到，我們可以用它來偵測其他的原子核，從此開啟了以中子撞擊鈾來導致鈾原子核分裂、釋放出巨大能量的研究，為後來的原子彈研究奠定了基礎。

設計：嶽嶽

參考來源：

https：//royalsocietypublishing。org/doi/pdf/10。1098/rspa。1920。0040

https：//www。sciencenews。org/article/top-10-science-anniversaries-2020

https：//www。symmetrymagazine。org/article/a-brief-etymology-of-particle-physics

http：//chemistry。bd。psu。edu/jircitano/neutron。html

https：//www。nuclear-power。net/nuclear-power/reactor-physics/atomic-nuclear-physics/fundamental-particles/neutron/

https：//www。quantamagazine。org/neutron-lifetime-puzzle-deepens-but-no-dark-matter-seen-20180213/

https：//www。nature。com/articles/d41586-019-01203-9#ref-CR4

https：//www。symmetrymagazine。org/article/junejuly-2006/deconstruction