可能存在中子

詹姆斯·查德威克

编者按

物理学家们最近指出：α粒子在撞击铍靶之后能够产生一种穿透力很强的未知次级辐射。他们发现当这种次级辐射射向含氢物质时会有质子生成。一些物理学家怀疑未知粒子可能就是高能光量子。但在这篇文章中，詹姆斯·查德威克报告了氮原子与这种神秘射线碰撞后所产生的离子化现象，结果表明它更像是一种迄今未知的粒子。查德威克认为这种粒子的原子量为1，电荷数为0：我们现在把它们称为中子。虽然要验证这一假说还需要进一步的实验，不过查德威克因此而获得了1935年的诺贝尔物理奖。ft　　英文

博特等人曾指出，当用钋元素放射产生的α粒子轰击铍元素时，铍元素会释放出一种穿透力极强的射线，铅对这种射线的吸收系数约为0.3 cm－1。最近，约里奥–居里夫妇发现，在一个具有薄窗的容器中测量这种铍辐射导致的电离时，如果在薄窗前放置含氢的物质，电离就会增强。这种现象似乎是由实验中有速度最大值接近于3×109 cm/s的质子发射出来所致。他们认为能量是通过一个类似于康普顿效应的过程转移给质子的，并估算出这种铍辐射的量子的能量为50×106 eV。ft　　英文

为了研究从铍元素中激发出的这种射线的性质，我利用真空管计数器做了一些实验。这种真空管计数器由一个连接到放大器的小电离腔组成。质子或α粒子进入电离腔后迅速产生离子的情况可以通过示波器显示的偏转来记录。这些实验表明，该射线轰击氢、氦、锂、铍、碳、空气、氩时都能发射出粒子。从射程和致电离能力来看，氢中发射出来的粒子类似于速度高达约3.2×109 cm/s的质子。其他元素中发射出来的粒子具有很高的致电离能力，看上去像是每种元素的反冲原子。ft　　英文

如果我们将这一质子发射过程视作能量为52×106 eV的量子的康普顿反冲过程，那么在类似的过程中产生的氮的反冲原子的能量应该不大于400,000 eV，其产生的离子数应该不多于10,000，常温常压下这种原子在空气中的射程应该约为1.3 mm。而事实上，一些氮的反冲原子至少产生了30,000个离子。在与费瑟博士合作进行的实验中，我在膨胀室中观察到了反冲原子，其在常温常压下的射程（目测）有时能达到3 mm。ft　　英文

如果碰撞过程中能量和动量都是守恒的，那么如果假定铍元素中释放出的这种射线是量子化的，就很难解释上述结果以及我在这项工作中得到的其他一些结果。然而，如果假设这种射线是由一种质量为1，电荷为0的粒子（中子）组成的，那么这些困难将不复存在。我们可以设想，Be9原子核俘获α粒子后产生了一个C12原子核并释放出中子。根据这一过程的能量关系，可以得出朝前方发射的中子的速度刚好约为3×109 cm/s。这一中子穿过物体时与物体中的原子碰撞产生了反冲原子，通过实验对反冲原子能量进行观测得到的结果与这一观点基本吻合。此外，我还观测到，用与激发α粒子方向相反的这种射线轰击氢后发射出的质子的射程要比用正向射线轰击得到的质子的射程短得多。这一实验结果同样可以用中子假说来简单解释。ft　　英文

如果假设这种射线是由量子组成的，那么Be9原子核俘获α粒子后将形成一个C13原子核。对C13质量亏损的精确测量结果表明，这一过程中释放出的量子的能量不可能大于14×106 eV。因此，对于目前观测到的实验现象我们很难将其归因于这样一种量子。ft　　英文

可以预计，中子穿过物体时产生的很多效应都应该与高能量子产生的效应相似，因此对这两种假说的最终取舍并不容易。到目前为止，所有的证据都更倾向于中子假说，而量子假说只有在放弃能量和动量守恒原理的某些情形下才会得到人们的支持。ft　　英文

（曾红芳　翻译；刘纯　审稿）