1911年，盧瑟福通過著名的α散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部有一個(gè)小小的核心——被稱為原子核，原子核擁有原子的絕大部分質(zhì)量，并攜帶正電荷。但當(dāng)時(shí)人們對原子核的內(nèi)部構(gòu)造還一無所知，探索原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成為物理學(xué)研究的熱門課題。

　　只是，原子核如此神秘，很多實(shí)驗(yàn)都無法取得進(jìn)展，如同有扇大門緊閉，阻擋著人們進(jìn)入原子核內(nèi)部去探秘。直到20世紀(jì)30年代，一種新的粒子——中子被發(fā)現(xiàn)了，這才敲開了這扇神秘之門，原來原子核是由中子與質(zhì)子組成的。

　　中子的發(fā)現(xiàn)不僅是原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要里程碑，也為后來人類能夠利用核能打下了極為重要的基礎(chǔ)，也可以說：“中子”敲開了人類進(jìn)入核能時(shí)代的大門。

　　對了，最近刷了屏的“中國散裂中子源首次打靶成功”新聞報(bào)道中，“散裂中子源”的那個(gè)“中子”，正是敲開原子核秘密之門的“中子”。

　　盧瑟福的預(yù)言

　　第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)使許多科學(xué)研究被迫中斷，直至1918年11月戰(zhàn)爭結(jié)束，科學(xué)家們才陸續(xù)回到自己的實(shí)驗(yàn)室。

　　1919年，盧瑟福(Ernest Rutherford)應(yīng)邀擔(dān)任英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任，他用α粒子轟擊干燥的氮?dú)?，擊中氮原子核，使氮轉(zhuǎn)化為氧，并釋放出一個(gè)質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)了人類歷史以來第一次人工核反應(yīng)。

盧瑟福(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　盧瑟福的實(shí)驗(yàn)證明了原子核內(nèi)部有質(zhì)子，但實(shí)驗(yàn)中存在著一些無法解釋的現(xiàn)象。原子的質(zhì)量近似于質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍，因此，根據(jù)原子核的電荷量應(yīng)該能推斷出原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。用這個(gè)概念解釋氫原子核很合適，但對氦原子就不好解釋了。氦原子有兩個(gè)電子，按說核內(nèi)應(yīng)該有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子與電子的正負(fù)電荷才能正好抵消。問題來了，氦原子核比氫原子核重4倍，如果氦原子核由4個(gè)質(zhì)子構(gòu)成，那多余的兩個(gè)正電荷是怎么抵消的呢？其它更重的原子核就更無法解釋了。為解釋實(shí)驗(yàn)中存在的矛盾，盧瑟福想到原子核中可能并非只有質(zhì)子這唯一的基本成分。

　　1920年，盧瑟福首次提到原子核里中性子的概念。他在皇家學(xué)會貝克里安講座的演講中提出：也許在原子核這樣微小的范圍內(nèi)，多余的質(zhì)子吸引了核外電子，形成了一種質(zhì)量與質(zhì)子相近的中性粒子。

　　由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)中用的α粒子是利用鐳的自然衰變產(chǎn)生的，能量不高，始終無法擊碎原子核。在有了粒子加速器后，也因當(dāng)時(shí)的加速器能量不夠高，轟擊原子核的嘗試一直沒能取得大進(jìn)展，原子核的神秘大門并未打開。

　　查德威克發(fā)現(xiàn)中子

　　查德威克(James Chadwick)是盧瑟福的學(xué)生。1932年，他精心設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用α粒子轟擊鈹，再用鈹產(chǎn)生的射線轟擊氫、氮，結(jié)果打出了氫核和氮核，他測量了被打出的氫核與氮核的速度，由此推算出了這種新粒子的質(zhì)量。他認(rèn)為，只有假定從鈹中放出的射線是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的中性粒子才能解釋，這種粒子不帶電，就被稱為“中子”了。

查德威克(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　查德威克證實(shí)了盧瑟福的預(yù)言。中子的發(fā)現(xiàn)，才使人們了解原子核是由中子與質(zhì)子組成的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)具有重大科學(xué)意義，不僅是原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要里程碑，也為后來人類能夠利用核能打下了極為重要的基礎(chǔ)，也可以說：“中子”敲開了人類進(jìn)入核能時(shí)代的大門。查德威克因此獲得1935年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　用中子當(dāng)“炮彈”

　　中子發(fā)現(xiàn)后，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成的理論假設(shè)被科學(xué)界普遍接受。中子不帶電荷，很容易接近原子核并被吸收，科學(xué)家們由此想到可以用中子作為“炮彈”來轟擊各種元素的原子核，便有了一系列重要發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)30年代也被譽(yù)為是核物理學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代。

　　當(dāng)時(shí)，費(fèi)米(Enrico Fermi)和同事用中子轟擊了周期表中的所有元素，并辯認(rèn)了因此而產(chǎn)生的具有放射性的元素。他們觀察到：把中子源和被轟擊的物體放在大量石蠟中，放射性會增加很多倍。

費(fèi)米(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　費(fèi)米用“慢中子”解釋這一現(xiàn)象。他認(rèn)為，由于質(zhì)子和中子的質(zhì)量相等，所以當(dāng)快中子與靜止的質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，快中子損失能量變?yōu)椤奥凶印?，慢中子與重原子核的反應(yīng)截面比快中子大得多。慢中子的發(fā)現(xiàn)為后來研究重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和原子核反應(yīng)堆的理論設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。費(fèi)米獲得了1938年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　哈恩(Otto Hahn)和斯特拉斯曼(FritzStrassmann)于1938年進(jìn)行了中子撞擊鈾的實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了中子誘發(fā)的鈾裂變。

哈恩

斯特拉斯曼(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

　　奧地利的梅特納(Lise Meitner)和她的侄子弗瑞士(Otto Robert Frisch)認(rèn)為：玻爾(Niels Henrik David Bohr)提出的原子核的液滴模型，很好地解釋了重核的裂變。玻爾設(shè)想原子核像一滴水，當(dāng)外來的中子闖進(jìn)這個(gè)“液滴”時(shí)，“液滴”會發(fā)生劇烈的震蕩。它開始變成橢圓形，然后變成啞鈴形，最后分裂為兩半。不過，這個(gè)過程的速度可快得驚人。

梅特納

弗瑞士(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　對此也很感興趣生物學(xué)家阿諾德說，如果原子核就像一滴液滴，被中子擊中以后分裂成為兩個(gè)原子核，這種情形很像顯微鏡下看到的細(xì)胞繁殖時(shí)的分裂現(xiàn)象。

顯微鏡下細(xì)胞繁殖時(shí)的分裂(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　梅特納和弗瑞士為此很受啟發(fā)，當(dāng)時(shí)他們正在尋找一個(gè)合適的名詞，來表示原子核被打破而分裂的現(xiàn)象，于是決定采用用細(xì)胞分裂的“分裂”(英文中，原子核的“裂變”和細(xì)胞“分裂”都是fission)這個(gè)名詞，來表示原子分裂，把它稱做“核裂變”，或“原子分裂”。

　　梅特納用數(shù)學(xué)方法分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。她推想鋇和其它元素就是由鈾原子核的分裂而產(chǎn)生的。但當(dāng)她把這類元素的原子量相加起來時(shí)，發(fā)現(xiàn)其和并不等于鈾的原子量，而是小于鈾的原子量。說明在核反應(yīng)過程中，發(fā)生了質(zhì)量虧損。梅特納認(rèn)為，這個(gè)質(zhì)量虧損的數(shù)值正相當(dāng)于反應(yīng)所放出的能。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式她算出了每個(gè)鈾原子核裂變時(shí)會放出的能量。弗瑞士想用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這種設(shè)想，他也用中子轟擊鈾，當(dāng)中子擊中鈾核時(shí)，能觀察到那異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納于1939年2月在《自然》雜志上發(fā)表了他們的報(bào)告。

　　鈾核分裂產(chǎn)生的這個(gè)能量，比相同質(zhì)量的化學(xué)反應(yīng)放出的能量大幾百萬倍以上。這種新形式的能量就是原子核裂變能，也稱核能，或原子能。當(dāng)時(shí)只注意到釋放出驚人的能量，忽略了釋放中子的問題。稍后，哈恩、約里奧·居里及哈爾班等人又有了更重要的發(fā)現(xiàn)：在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，還放出兩、三個(gè)中子來。

鈾核裂變釋放巨大能量的同時(shí)釋放出中子示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　這個(gè)發(fā)現(xiàn)可實(shí)在驚人，如果說原子核數(shù)量足夠多，重元素的體積和重量足夠大的話，那么裂變放出的次級中子，還有可能引發(fā)臨近的原子核進(jìn)一步產(chǎn)生裂變，這個(gè)過程可以會不斷地持續(xù)下去，這個(gè)過程稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這意味著：極其微小的中子，將有能力釋放沉睡在大自然界中幾十億年的物質(zhì)巨人。這一發(fā)現(xiàn)，終于打破了盧瑟福等人認(rèn)為開發(fā)利用原子能量的設(shè)想不可能的結(jié)論，裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)構(gòu)成了核能利用的基礎(chǔ)。

　　1944年，哈恩因發(fā)現(xiàn)“重核裂變反應(yīng)”榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，遺憾的是梅特納和斯特拉斯曼沒能獲此殊榮。

　　世界上第一座原子核反應(yīng)堆是費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)和試驗(yàn)的，他還研究了如何使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)變?yōu)檫B續(xù)、緩慢、可控的核反應(yīng)，讓核能平緩地釋放出來。1942年12月2日，在美國芝加哥體育場的看臺下，世界上第一座用石墨作減速劑的原子核反應(yīng)堆竣工落成。原子核反應(yīng)堆能可控地放出大量的能量，這標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了核能時(shí)代。

美國芝加哥體育場看臺下的原子核反應(yīng)堆竣工落成(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　1945年7月16日，美國研制的世界上第一顆原子彈爆炸成功。8月6日，美國就在日本廣島投下了第一枚軍用原子彈，一座繁榮的城市在一剎那間被全部毀滅，成了煙霧彌漫的廢墟。三天以后，即8月9日，美國在日本的另一個(gè)城市長崎投下了第二顆原子彈。

美國就在日本廣島投下了第一枚軍用原子彈(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　1952年11月1日，美國在太平洋比基尼島核試驗(yàn)基地爆炸成功了世界上的第一顆氫彈，它為1040萬噸梯恩梯當(dāng)量，相當(dāng)于投向日本廣島那顆原子彈威力的800倍。當(dāng)這顆氫彈在幾百米高的鋼架上起爆之后，整個(gè)小島連同鋼架都在巨大的爆炸場中沉入太平洋深處，再一次震驚了全世界。

世界上的第一顆氫彈爆炸成功(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　1954年1月21日，人類第一艘核動力潛艇——美國海軍的“鸚鵡螺”號下水，當(dāng)年底全部竣工，1955年1月17日進(jìn)行了首次試航(艇長90米，排水量2800噸，當(dāng)時(shí)的造價(jià)為5500萬美元，最大航速25節(jié)，最大潛深150米)。從理論上講，它可以以最大航速在水下連續(xù)航行50天、航程3萬海里而無需添加任何燃料。艇上還裝備了自導(dǎo)魚雷。從下水到1957年4月更換第一個(gè)反應(yīng)堆活性區(qū)為止，“鸚鵡螺”號總航程達(dá)62526海里，僅消耗了幾公斤鈾。而常規(guī)潛艇要是以同樣速度航行同樣距離，將會消耗大約8000噸燃油。

人類第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　世界上最早的商用核電站位于蘇聯(lián)奧布寧斯克(Obninsk)的物理和電氣工程院，1954年6月開始發(fā)電，功率5000KW。核電站利用原子核內(nèi)部蘊(yùn)藏的能量大規(guī)模生產(chǎn)電力，核電站使用的核燃料含有易裂變的物質(zhì)鈾-235。一座100萬千瓦的核電站每年只需要補(bǔ)充30噸左右的核燃料，而同樣規(guī)模的火電廠每年要燒煤300萬噸。

世界上最早的商用核電站所在地(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　中子科學(xué)開啟核武器、核電大門的同時(shí)，也敲開了利用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的大門。1946年，沙爾(Clifford Glenwood Shull)用中子衍射研究磁性材料。他用中子衍射技術(shù)顯示氫原子在晶體中的位置，可更全面地了解許多無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。沙爾研究了中子磁矩與順磁物質(zhì)中原子磁矩發(fā)生的散射，推動了磁結(jié)晶學(xué)的發(fā)展。他還研究了極化慢中子輻射的應(yīng)用，發(fā)明了中子干涉系統(tǒng)，為研究中子與物質(zhì)之間相互作用而產(chǎn)生的各種基本效應(yīng)提供了極其靈敏的工具。

沙爾(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　1955年，布羅克豪斯(Bertram Niville Brockhouse)用中子散射研究晶格動力學(xué)。他致力于中子非彈性散射技術(shù)的研究，在原有的單軸和二軸中子譜儀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三軸譜儀，得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為研究凝聚態(tài)物理的基本工具，幾乎大多數(shù)人事凝聚態(tài)物理研究的中子束反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)室都擁有這一設(shè)備。

布羅克豪斯(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　沙爾和布羅克豪斯1994年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這遲到的榮譽(yù)表明：經(jīng)過幾十年的實(shí)踐，中子散射的重要性已經(jīng)得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。

　　中子的發(fā)現(xiàn)及其應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一，在中子及相關(guān)的核科學(xué)取得巨大成就的今天，我們不能忘記是誰敲開了原子核那扇神秘的門。