1919年盧瑟福實驗用α離子轟擊氮原子核后放出質(zhì)子而變成氧原子核。真的是這樣嗎?還需要實驗證實。
科學家布拉克特用云霧室研究了這個核反應。
云霧室是盧瑟福的老同事威爾遜發(fā)明的。這是個圓盒子,盒子中的空氣含有過飽和的水蒸氣,當帶電粒子穿過盒子里的空氣時,沿途就會產(chǎn)生一串離子,而水蒸氣就會圍繞這串離子結(jié)成小水珠,形成一條白色的云霧,因此可以很清楚地顯示出帶電粒子飛過的徑跡。加上磁場以后,從這條白色的云霧的長短、濃淡和彎曲的方向、程度就可以分析出帶電粒子的性質(zhì)。
這可以用照相的方法記錄下來。
布拉克特使a粒子打進充有氮氣的云霧室,然后拍照。他拍了兩萬三千張照片,結(jié)果只照到了八張人工核反應的照片。
這是1925年的事情。在照片上,象掃帚一樣的一簇白線是α粒子的徑跡,其中有一條中途停止了(說明α粒子打到氮核里去了),然后又分為兩個叉,一條細而長的是質(zhì)子的徑跡,另一條短而粗的是生成的氧原子核的徑跡。
順便提一下，威爾遜云霧室是歷史上最早建造的粒子徑跡探測器，它對粒子物理學的發(fā)展起過重大作用，正電子、μ子、K0介子和超子等都是通過拍攝它們在云霧室中的徑跡而發(fā)現(xiàn)的。
盧瑟福的發(fā)現(xiàn)被研究得更清楚了。新的發(fā)現(xiàn)、新的理論、新的方法鼓舞著各國的科學家去作新的實驗和新的探索。
1930年德國有位物理學家玻特和他的學生貝克也在研究盧瑟福的實驗,他們這么想:為什么α粒子打到核里去只會放出質(zhì)子呢?難道就不可能放出電子(也就是β射線)和γ射線嗎?那些天然放射性元素大都會放出α射線或β射線,并且常常伴有γ射線,但是不放出質(zhì)子。
他們研究了盧瑟福作的實驗,注意到盧瑟福是通過觀察硫化鋅熒光屏是否發(fā)生閃光來判斷有無核反應發(fā)生的。玻特知道,α粒子或質(zhì)子打在硫化鋅上會發(fā)出閃光,但是,如果有β射線或γ射線射在硫化鋅上,卻不會發(fā)出閃光。因此,即使有放出β射線和γ射線的核反應發(fā)生,盧瑟福也觀測不到。
盧瑟福曾經(jīng)用α粒子射擊過鋰、鈹、硼,他沒有看到閃光,所以他認為用α粒子射擊這幾種元素不發(fā)生核反應。
玻特想,α粒子既然能打到氮、鎂、硫、鉀等的原子核中去,為什么就不會打到鋰、鈹和硼的原子核中去呢?可能打進去以后放出來的不是質(zhì)子,而是不會使熒光屏閃光的β射線、γ射線等別的什么粒子？如果真是這樣,用什么方法才能觀測到它們呢?
這時候,盧瑟福的學生蓋革也在德國工作,他發(fā)明了計數(shù)器,利用電子學儀器,可以測量各種射線并計算粒子的數(shù)目或射線的強度。
蓋革計數(shù)器是一個裝有氣體的圓筒，上面加有很高的電勢，但是還沒有高到能克服氣體的電阻將它擊穿的地步。如果有一個高能亞原子粒子進入圓筒，它將使其中氣體的一個分子電離。新產(chǎn)生的這個離子以很高的能量向陰極運動，途中通過碰撞，再使另外一些原子電離；這些電離的原子本身又開始運動，再進一步電離其他原子。這就是說，圓筒內(nèi)的氣體發(fā)生了一次“雪崩”電離過程。由于這個過程，圓筒內(nèi)的氣體會通過一個瞬時電流，它可以被記錄下來而發(fā)出一次咔嗒聲。這種咔嗒聲記錄的就是粒子進入圓筒的事件，能為這些進入的粒子事件自動計數(shù)。
用了這種新儀器就不需要躲在黑屋子里數(shù)熒光屏上的閃光了。
貝克和玻特用計數(shù)器去進行研究。他們用釙作為α粒子的放射源,因為釙只放射α粒子,不放射β射線和γ射線,這就使實驗簡單多了。對著α粒子源安裝了計數(shù)管,由于釙不發(fā)射β射線和γ射線,而發(fā)射出來的α粒子又穿不透計數(shù)管的玻璃壁,所以計數(shù)管沒有計數(shù)。
但是,只要在α粒子源和計數(shù)管之間放上涂鋰、鈹或硼的片,計數(shù)管就開始計數(shù)了。這說明α粒子打到了鋰的、鈹?shù)幕蚺鸬脑雍松?發(fā)生了核反應,并且放出了某種射線。其中以鈹放出來的射線最強烈。
這是什么射線呢?玻特和貝克作了測試實驗。他們加上電場和磁場試了試,發(fā)現(xiàn)射線在電場和磁場中不會偏轉(zhuǎn),說明射線不帶電荷,不是β射線,也不是α粒子和質(zhì)子。他們又用2厘米厚的鉛板試了試,射線還是穿透過去了,強度只減弱13%。他們認為,這種射線是極強的γ射線。
玻特和貝克用α粒子射擊鋰、鈹和硼也會發(fā)生核反應,這是完全正確的。他們認為反應結(jié)果是放出y射線,這一點后來證明是錯誤的。中子的發(fā)現(xiàn)居然和他們擦肩而過。
在法國,居里夫人的女兒伊倫·居里和女婿約里奧-居里已經(jīng)成長為原子科學家。小居里夫婦也在作玻特和貝克作過的實驗。他們讓鈹發(fā)出的射線通過石蠟,結(jié)果產(chǎn)生了高速的質(zhì)子?？磥硎鞘炛械臍浔烩敯l(fā)出的射線碰出來了。但是小居里夫婦也沒有想到這鈹發(fā)出的中性射線就是還沒被確定的中子。
這個實驗又轉(zhuǎn)到英國,查德威克用鈹發(fā)出來的射線射擊氫,發(fā)現(xiàn)了高速的質(zhì)子;射擊氮原子,氮原子也被推動了,只是速度比質(zhì)子小得多;射擊氬,氬原子也被推動了,速度又小一些。這說明鈹發(fā)出來的射線速度沒有達到光速不應該是γ射線,而是具有一定質(zhì)量的某種粒子。
經(jīng)過反復的實驗,查德威克認為α粒子打在鈹核上的是一種高速的不帶電荷的中性粒子。這種粒子同氫、氮、氬的原子核碰撞,就把它們彈開了,正象他和盧瑟福以前研究的α粒子彈開氫原子核的情形一樣。
那么這種不帶電荷的中性粒子的質(zhì)量有多大呢?查德威克根據(jù)實驗結(jié)果算出來,它的質(zhì)量與質(zhì)子幾乎一樣大。
中子是人們過去還不知道的粒子,現(xiàn)在由鈹原子核中打了出來,這說明原子核中有中子。這樣一來,組成宇宙間萬物的基本磚石就不只是質(zhì)子和電子兩種了,又多了一種中子。
就在發(fā)現(xiàn)中子的1932年,人們利用云霧室還發(fā)現(xiàn)了由地球外面的宇宙空間射來的一種電子,它帶著陽電荷,而質(zhì)量和普通的帶陰電荷的電子一樣。這就是正電子。
中子是1932年發(fā)現(xiàn)的。人們想起了盧瑟福的預言,他在1920年就認為原子核里會有不帶電荷的中性粒子?，F(xiàn)在中子真的發(fā)現(xiàn)了。就在這一年,德國青年物理學家海森堡根據(jù)物理學的一些原理,指出原子核里不可能有電子;他認為原子核是由質(zhì)子和中子組成的。
他的這種原子核模型很快就為科學界所接受,成為今天我們所熟知的常識。海森堡的模型不同于質(zhì)子電子模型,一些符號卻仍然保持原樣,不過符號的意義有所不同。元素符號的左上角是質(zhì)量數(shù),也就是核中的質(zhì)子和中子的總數(shù);左下角是原子序數(shù),就是核電荷數(shù),也就是核中的質(zhì)子數(shù);左上角數(shù)字減去左下角數(shù)字,就是核中的中子數(shù)。氦原子核是由2個質(zhì)子和2個中子組成的。同樣,氯有兩種同位素,它們核中都有17個質(zhì)子,然而中子數(shù)不同，Cl35的中子數(shù)為18（35-17=18）而Cl37的中子數(shù)為20（37-17=20）。原子核里只有兩種粒子—質(zhì)子和中子,而電子只在核外面運動,原子核里面是沒有電子的。因此,人們又把質(zhì)子和中子通稱為“核子”。但是,問題又來了。已經(jīng)知道,有些放射性元素放出β射線(電子流)。如果原子核里沒有電子的話,又怎么能夠放出來電子呢?（現(xiàn)在我們知道那是因為中子會轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子和放出電子）
再有,原子核里有中子,那么為什么沒有單個的中子在我們周圍自由飄蕩呢?
直到1950年,人們用實驗證明了,自由的中子不穩(wěn)定，有放射性，每13分鐘就有一半中子會轉(zhuǎn)變成質(zhì)子和電子。
質(zhì)子就是氫原子核,它是穩(wěn)定的。中子只有在原子核里,并且和質(zhì)子按一定比例結(jié)合在一起的時候,它才是穩(wěn)定的,原子核也才穩(wěn)定。
如果原子核里的中子偏多了,同質(zhì)子不成比例了,中子在原子核里也會變成質(zhì)子,同時放出一個電子。這個電子不能在核里呆下去,立刻以極大的速度從原子核里射了出來,這就是β射線。
