《人类科学技术史-374》中子和慢中子效应的发现

中子和慢中子效应的发现

早在1905年，爱因斯坦在创立狭义相对论时就提出了著名的质量能量关系式E＝MC2，从理论上预言了物质内部蕴涵着极大的能量，预示了核能利用的可能性。然而，直到1938年，人们发现了重核裂变现象后，才打开了核能库的大门，开始了核能开发和利用的新时代，而重核裂变现象的研究还得追溯至中子和慢中子效应的发现。

19世纪20世纪之交，科学家们的研究表明，原子是由带负电的电子和带正电的原子核构成，又发现自然界中的一些重元素如镭、铀等可以自发放出射线而蜕变为其他元素，这些重元素发出的射线有α射线、β射线和γ射线，而α粒子是带2个单位正电荷的氦核，β射线和γ射线，则分别是带负电的电子流和中性光子流。英国物理学家卢瑟福想，轻元素不能象重元素那样产生自发蜕变，如果施加强的外力作用，例如用重元素释放出的高能粒子进行轰击，轻元素能否发生被动蜕变呢？

1919年，卢瑟福和他的助手用镭放射出来的α粒子做"炮弹"去轰击氮原子核。检测发现，氮原子核受轰击后，衰变为氧，并释放出带一个单位正电荷的质子。卢瑟福的实验第一次实现了人工核反应，利用人为的方法把一种元素转变成了另一种元素。由于这个实验是一个吸收能量的变化过程，人们便没有将其与核能开发的可能性联系在一起。

1921年至1924年，卢瑟福用实验证明了，有十几种轻元素在α粒子的轰击下都可以象氮元素那样发生人工衰变，放出质子，同时转变为元素周期表中的下一个元素。于是人们认为，质子应该是原子核的组成部分。那么，原子核全部由质子构成吗？进一步的分析推翻了这种可能性。从氦原子看，其中有两个电子，要保持电中性，原子中必有两个质子，如果氦核全部由质子构成，其质量应等于2个质子的质量，而实际上，氦核的质量是单个质子的4倍。

1920年，卢瑟福预言，原子核内部可能存在质量与质子相同的中性粒子，他认为这种粒子能"很容易地打入到原子核内，或者和原子核结合起来，或者在它的强大场内蜕变"。卢瑟福设计了一些实验，试图验证中子的存在，但没有成功。12年之后，他的预言得到了证实。

1932年1月，伊伦.约里奥-居里(1892-1956)和她的丈夫约里奥-居里(1900-1958)用钋源放射出的α粒子轰击铍时发现，铍蜕变时产生一种穿透本领很强的不带电粒子流。他们未曾注意到卢瑟福关于"中子"的预言，而认为这种中性粒子流是光子。英国物理学家查德威克(1891-1974)是卢瑟福的学生，自然透彻了解其老师"存在中子"的思想。当他得知约里奥-居里夫妇的实验结果时更猜想，铍蜕变时放出的中性粒子可能就是中子。他立即利用放射源钋发射的α粒子来轰击铍金属，对铍放射出的中性粒子进行鉴别后发现，这种中性粒子具有静止质量，而且速度也比光速小。因此，查德威克确定，约里奥-居里夫妇发现的中性粒子流不是光子流，而是卢瑟福所预言的中子流。

1932年2月，查德威克在英国《自然》杂志上发表了关于发现中子的札记。后来的实验证明，正如许多轻元素人工蜕变时均放出质子一样，许多元素受到外来作用都会放出这种中性粒子。人们因此确认了，原子核是由质子和中子组成的。中子的发现不仅对于人们认识核结构有重要意义，而且更重要的是它送来了打开核能库大门的钥匙。不过，当时人们并未认识到中子的发现在这一方面所具有的重大意义。

1932年，英国卡文迪许实验室的两个青年人瓦尔顿和考克罗夫特在卢瑟福的指导下，设计了一架巨型机器，被称为"当代炼金术"，采用几百万伏电压来加速质子，并用高速质子来轰击金属元素锂，结果一个动能为30万电子伏的质子被锂俘获后，形成一个原子量是8的不稳定的原子，它很快又分裂为两个原子量为4的氦原子并各拥有约860万电子伏的动能：反应后多出的1690万电子伏能量应该是贮存于核中的能量所提供的。

卢瑟福在皇家学会上报告了实验结果，这是直接用人工方法加速质子而未利用放射性元素所实现的核反应，不少人乐观地预感到原子能时代即将到来了。

但是，由于当时从人工核反应中得到的能量只相当于实验所消耗能量的一个零头，还由于真正实现核能的开发不论在理论上还是在技术上都存在许多难以预料的困难，因此，一些著名的科学家如卢瑟福、玻尔等，对核能利用的估计都是很悲观的。1933年9月，卢瑟福在不列颠协会的演说中说："一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量，这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已"。他还断言，人类永远也无法利用原子中的能量。

卢瑟福对核能开发的这种错误估计被认为是"他的一帆风顺的科学生涯中走错了几乎是仅有的一步"。1936年，玻尔也认为："我们关于核反应的知识越广，离原子能可用于人类需要的时间越远"。这种悲观的估计在核裂变现象发现前是很难免的。

1934年1月，约里奥-居里夫妇利用钋源放射出来的α粒子去轰击铝。他们发现，铝靶受轰击后有质子和少量的中子发射，停止用α粒子轰击后，发射还能持续几分钟，放出的是β射线。原来，铝核与α粒子结合后，变成一种原子序数为15的新原子核，是天然状态下不存在的放射性同位素磷：

这种很不稳定的同位素，继续发射出电子进行β衰变，最后变成稳定元素硅。他们还用α粒子轰击硼和镁，得到放射性同位素氮和放射性同位素硅。1934年1月，约里奥-居里夫妇公布了用α粒子轰击轻元素，产生人工放射性元素的实验结果。放射性元素可由人工产生的发现具有重大意义，约里奥-居里夫妇也因此获得1935年化学诺贝尔奖。

人工产生放射性元素的发现开辟了一个新的实验研究领域，人们对寻找更多的人工放射性同位素产生了极大的兴趣。但是，进一步研究发现，用α粒子作"炮弹"去轰击原子核，对重元素往往不起作用。于是，科学家们试验用能量更强的α粒子流来进行轰击实验，但对重元素仍无效果。这个问题引起意大利物理学家费米(1901-1954)的兴趣，但他的想法与众不同。他没有在提高"炮弹"α粒子的速度、强度上下功夫，而是设想更换另一种"炮弹"。他认为，带正电的α粒子与重元素的原子核有较强的库仑作用，而中子不带电荷，它既不会被原子中的电子所吸引，也不会受到原子核的排斥，因此，用中子作"炮弹"也许不仅能使稳定的轻元素转变为放射性元素，也有可能使稳定的重元素转变为放射性元素。

1934年的上半年，费米和他的助手从原子序数最低的氢元素开始，按照周期表的顺序，用中子逐个轰击，从氢一直到氧都没成功，到第九个元素氟才得到了放射性同位素。他们继续实验，短短的几个月内，对63种元素进行了轰击实验，得到了37种放射性同位素。1934年10月，费米小组在实验中发现，在中子源和被轰击的银金属之间放置其它物质会影响所产生的放射性同位素的放射性强度。

费米建议在中子源和被轰击的银金属之间放置石蜡来进行实验，结果意外地发现，产生的人工放射性比原先增强了一百倍。费米认为，这是由于中子通过含氢的石蜡时，与氢原子弹性碰撞而减慢了速度，与快速中子相比，减慢了速度的中子被银原子俘获的机会就更大，因而，慢中子具有更强的激起核反应的能力。这就是说，中子通过石蜡后变成了更加优良的"炮弹"。为了进一步验证这种想法，他们在养鱼池中做实验，用水代替石蜡，结果发现，水也具有使中子慢化的作用。费米发现的慢中子及其有关效应，对后来获取核能的研究具有极其重要的意义，被认为是"核时代的实际起点"。费米因成功地用中子轰击原子核，创造了一系列新的放射性同位素以及发现慢中子效应而获得1938年诺贝尔物理学奖。