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英国物理学家詹姆斯·查德威克因发现中子而获得1935年诺贝尔物理学奖。为什么第一个发现中子的是查德威克而不是约里奥·居里？答案很简单:因为查德威克是卢瑟福的学生，他很早就知道自然界中可能存在一种类似质子的强相互作用性质的粒子，它的名字叫中子。这是和高手合作更容易成为高手的绝佳例子。
作者|邢志忠(中国科学院高能物理研究所研究员)
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30年前，1891年10月20日，英国物理学家詹姆斯·查德威克出生在英国西北部小镇伯灵顿的一个普通家庭。他的童年主要是和爷爷奶奶一起度过的，这和大科学家艾萨克·牛顿的童年有些相似。11岁时，查德威克来到曼彻斯特与父母团聚，开始接受中学教育。1907年，中学毕业的查德威克获得曼彻斯特大学的奖学金，顺利进入大学。今年5月，36岁的新西兰出生的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福加入了曼彻斯特大学，给查德威克带来了好消息。
其实查德威克本来想在大学学数学而不是物理。1908年秋天，他错误地参加了一个物理老师主持的面试。犯错就是犯错。生性腼腆的查德威克成了物理系的本科生。他在第二学年选修了卢瑟福的电磁学课程，立刻被这位理科硕士的魅力所感动。然后他决定跟着卢瑟福做一个具体的科研项目，就是研究镭的放射性。1911年夏天，他完成本科学业后，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。
卢瑟福杰出的科学才能和影响力使曼彻斯特大学成为核物理的研究中心，吸引了世界各地的年轻学者来到“曼彻斯特学派”朝拜。1912年3月，27岁的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔来到曼彻斯特大学做博士后研究。他和查德威克很快成了好朋友。一年后，1913年7月，玻尔在著名的英国哲学杂志《科学杂志》上发表了一篇重要论文，首次提出了量子化氢原子模型。这项工作成为量子理论发展的里程碑之一，玻尔本人也因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
在曼彻斯特大学这样优秀的学术氛围下，年轻的查德威克很难取得成功。
1912年夏天，查德威克以优异的科研成绩获得了硕士学位。虽然卢瑟福想让查德威克留在他身边做研究，但由于其他原因，查德威克于1913年秋来到柏林，加入了盖革计数器的发明者汉斯·盖革的实验室。
盖革也在曼彻斯特工作，是卢瑟福的重要合作者之一。因此，他爱我的狗，也爱查德威克。当时，柏林是世界上核物理和放射化学的研究中心之一。后来，因发现核裂变而闻名的奥托·哈恩和莉泽·迈特纳等伟大科学家都在那里工作，这促使查德威克选择原子核的β衰变作为他的新研究课题。
长期以来，学术界认为原子核的β衰变是一个两体过程:母核分裂成子核，发射出一个电子，因此后者具有一定的能量，即其能谱应呈现单能离散谱。然而，1913年，曼彻斯特学派和哈恩实验室给出的初步观测结果与这一预期相矛盾。利用比以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β衰变的电子能量，发现它呈现出连续变化的光谱模式。他在1914年以单一作者的身份发表了这一测量结果，立即得到了卢瑟福和哈恩的认可，但遭到了迈特纳兹的质疑。1927年，曼彻斯特实验室的查尔斯·埃利斯和威廉·伍斯特完成了更可靠的β衰变能谱测量，证实了电子的能谱是连续的。他们的实验结果后来被Maitenaz的研究小组所证实。于是β衰变过程中能量是否严格守恒的问题，也就是所谓的“能量危机”，就成了20世纪20年代到30年代核物理空时代飘来的乌云。
为了解释β衰变的连续能谱，玻尔提出了能量守恒在微观世界可能只是一个统计平均定律的观点，即在单个微观反应过程中可能存在能量守恒不严格的情况。这一观点无疑与1923年美国物理学家阿瑟·康普顿发表的光子和电子散射实验结果相矛盾，该实验结果清楚地表明，这样的微观散射过程严格遵守能量和动量守恒定律。事实上，为了解释β衰变的实验结果，理论家们面临着另一个挑战:如何保证初末粒子的总角动量守恒？
这时最有资格发言的是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利，他在1925年1月提出了“不相容原理”，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，泡利在一封致研究核辐射的同事的公开信中提出了他对β衰变“能量危机”的解决方案。他假设在原子核的β衰变过程中，除了产生子核和电子外，还会释放出一种质量小、电中性的新粒子，其自旋量子数等于1/2。泡利把这种看不见摸不着的假想粒子称为“中子”。显然，他并不知道“中子”这个概念早在1920年就被卢瑟福发明并占领了——用来描述另一种电中性的、与质子质量相同的、可以作为原子核基本成分的假想粒子。后来，意大利物理学家恩利克·费密把泡利设想的“中子”改名为“中微子”，意为微小的“中子”。
有了中微子的存在，β衰变反应的能量守恒、动量守恒、角动量守恒都不再是问题；电子的能谱之所以是连续的，是因为电子要和中微子分享母核与子核质量差对应的反应能量。在这样的三体衰变过程中，中微子带着一些能量和动量逃逸。但是，当年的实验技术根本无法证明泡利的假设。直到1956年，中微子作为假想粒子才在反应堆实验中首次被确认。
回到1914年8月，查德威克的科学研究因第一次世界大战的爆发而中断。尽管有德国同僚的保护，战争中敌对国家的公民查德威克还是在当年11月被当局逮捕，关进了柏林西部的集中营。然而，他在监狱里并不孤独，甚至有机会定期向他的狱友讲授电磁学和放射性。无独有偶，卢瑟福的另一个学生埃利斯也曾被囚禁在这个集中营，他成了查德威克的好朋友。由于战争造成的食物短缺，查德威克在狱中因严重营养不良患上了消化道疾病。1918年11月，战争终于结束。后来成为剑桥大学同事的查德威克·埃利斯回到了他们的祖国英格兰。
1930年，剑桥大学出版社出版了卢瑟福、查德威克和埃利斯合著的《放射性物质的辐射》一书，系统总结了氦核(即α粒子)与氦核、质子和重核散射的实验结果，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提出了交换轻介子的原子核间相互作用的理论图像。这项工作是他的第一项科学研究工作，他一炮而红，并因此获得了1949年的诺贝尔物理学奖。
就在1930年，德国科学家沃尔特·博特(Walter Bothe)和赫伯特·贝克尔(Herbert Becker)在氦核和铍核的散射实验中，观察到一种穿透力很强，在电场中不偏转的射线，他们理所当然地认为是伽马射线。两年后的1932年，居里夫人的长女艾琳·约里奥-居里和她的丈夫弗雷德里克·约里奥-居里重复了这个实验。他们发现，当博特和贝克观测到的辐射轰击一种含有氢原子的物质时，会产生高能质子。那么，这种新型射线是伽马射线吗？
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和光子的康普顿散射。查德威克立即着手设计一个实验，并在三周内得到了自己的测量结果。他发现新型射线不是伽马射线，而是一种由带中性电、质量相当于质子的新粒子组成的束。1932年2月27日，英国《自然》杂志发表了查德威克的实验结果。他的论文题为“一个中子的可能存在”，不到一页长，仅包含约700个单词，没有任何公式和图表。在查德威克论文的最后，明确指出“到目前为止，所有的证据都是有利于中子的，但是量子假说(即伽马射线假说)是不成立的，除非在某种程度上抛弃了能量和动量守恒”。于是中子被发现是原子核的另一个基本成分！1935年，44岁的查德威克因发现中子而获得诺贝尔物理学奖。
为什么第一个发现中子的是查德威克而不是约里奥·居里？答案很简单:因为查德威克是卢瑟福的学生，他很早就知道自然界中可能存在一种类似质子的强相互作用性质的粒子，它的名字叫中子。这是和高手合作更容易成为高手的绝佳例子。相比之下，尤里奥·居里夫妇不得不承认，虽然两人都身处大师级的科研环境(居里夫妇等。)聚在一起，他们对中子的概念一无所知，所以没能在第一时间对自己的实验结果做出正确的解释，从而错过了发现中子的机会。
令人欣慰的是，两年后，1934年2月10日，《自然》杂志发表了一篇题为“一种新型放射性元素的人工生产”的论文，作者是伊奥里奥·居里和他的妻子。这篇论文也不到一页，只有620字左右，一个化学反应方程式，却是人工放射性的开山之作。凭借这一发现，约里奥-居里夫妇以超乎寻常的速度获得了1935年的诺贝尔化学奖！人们不禁要问一个有趣的问题:如果1932年伊奥里奥·居里和他的妻子正确理解了他们的实验结果并宣布发现了中子，他们有可能获得1935年的诺贝尔物理化学奖吗？
1935年秋，在获得诺贝尔奖之前，查德威克被聘为利物浦大学的教授。他推动了那里回旋加速器的建设，使利物浦成为欧洲核物理研究中心之一。查德威克也是英美合作曼哈顿计划的关键人物，因为中子的发现是制造原子弹的重要前提之一。1948年，查德威克回到剑桥大学，并成为凯威尔和凯厄斯学院的院长。他于1958年底退休，与妻子搬到北威尔士；十年后，他们搬回剑桥，住在离女儿不远的地方。
1974年7月24日，伟大的物理学家查德威克在睡梦中去世，享年83岁。
主要参考文献:
①a .布朗，《中子和原子弹:詹姆斯·查德威克爵士传》，牛津大学出版社，1997年。
2) G .埃克，詹姆斯·查德威克:他那个时代的一个首脑，arXiv:2007.06926，2020。
3) J .查德威克，一个中子的可能存在，自然129 (1932) 312。
4) F .约里奥和I .居里，一种新的放射性元素的人工生产，自然133 (1934) 201。
