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100年前的一篇演讲内容,开启原子物理学的新篇章

2020/6/24 10:11:17 来源:原创 浏览:

1920年6月3日,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)发表了一次关于原子核构成的公开演讲。这位原子核和质子的发现者认为,自然界中应该存在着一种新的、电中性的粒子。这一粒子后来被称之为中子


中子的发现


查德威克在用α粒子撞击铍的实验中发现了呈电中性的中子辐射。

一战期间,英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)曾被困于德国的一间监狱长达四年之久。一战结束后,他回到英国,追随本科时期的导师卢瑟福,开始在剑桥大学的卡文迪许实验室从事伽马射线和原子核结构的研究工作。那时,卢瑟福已经提出了关于中子存在的想法。


1930年,德国物理学家瓦尔特·博特(Walther Bothe)和赫伯特·贝克尔(Herbert Becker)证明当铍被α粒子击中时,会发射出一种强大的穿透性辐射。伊雷娜·约里奥-居里(Irene Joliot-curie)和让·弗雷德里克·约里奥-居里(Frederic Joliot)证明,如果让这种未知的辐射通过石蜡,或任何其他含氢化合物上,都会释放出高能的质子。他们认为,这可能是一种高能的电磁辐射,比如γ辐射。但查德威克不这样认为,因为这种辐射的穿透性比γ辐射还要强。


查德威克进行了一系列实验来研究,他的目标在于寻找一种质量大致与质子相同的中性粒子。实验非常成功,他发现当击中铍的α粒子被铍原子核捕获时,可以形成一个碳原子核,并释放一个中性粒子,这种粒子的质量大约比质子高0.1%。虽然这种粒子虽然与卢瑟福最初的理解不同,但这就是他想要寻找的中子。


1932年2月27日,查德威克在《自然》杂志上发表了一篇论文,证实了中子的存在,他也因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。


这一发现让众多在此前不相信卢瑟福的物理学家感到意外,但美国化学家威廉·哈金斯(William Harkins)却是个例外,因为他在1921年也提出了类似的建议,并且是首个在出版物中使用“中子”一词的人。物理学家至今仍不能确定,哈金斯和卢瑟福中究竟谁才是最先将这种电中性的粒子命名为中子的。

中子的结构


中子是由下夸克(d)和上夸克(u)构成的。负责传递强核力的胶子会将夸克牢牢地”粘“在一起。

中子是构成物质的主要亚原子粒子之一,它们广泛存在于宇宙之中。和质子一样,中子也被归类为强子,是一类受强核力作用影响的粒子。


中子由三个夸克组成,两个下夸克(d)和一个上夸克(u),下夸克携带−⅓个单位电荷,上夸克携带+⅔个单位电荷,因而结合成为不带电的中性粒子。中子不受电力作用的影响,但却有轻微的电荷分布,由此导致了中子的非零磁矩(偶极矩),因此中子也能通过电磁力相互作用,但这种作用力比质子间的要弱得多。


中子衰变之谜


两种测量中子寿命的不同方法给出了不同的结果,但没有人知道问题出在哪里。

中子在原子内部是稳定的,但自由的中子却只能存在大约15分钟,之后就会衰变成质子、电子和反中微子。然而,物理学家并不知道中子的确切寿命究竟有多长。因为当他们通过两种精确方法测量中子的寿命时,得到了不同的答案。


第一种方法被称为“瓶”方法,研究人员将自由的中子放入一个瓶子中,然后在一段时间后计算还剩下多少个中子,测得中子平均寿命为(879.3±0.7514)秒,即14分39秒。第二种方法被称为“束”方法,它需要把中子注入一个可以计算中子衰变时产生的质子数的探测器中。这种实验方法给出的结果是(888±2.1)秒,即14分48秒,比瓶方法多出了9秒。


中子的平均寿命在核物理学、粒子物理学和宇宙学中都扮演着重要的角色。可惜的是,物理学家至今仍无法解释这种差异。因此,他们正试图通过使用更加精妙的实验仪器和设计,来接近这一问题的答案。


中子星


经历了超新星爆发形成的中子星拥有非常特别的内核,但科学家尚无法知晓其核心究竟是什么样子的。

1934年,在查德威克发现中子两年之后,天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)和沃尔特·巴德(Walter Baade)就提出,当一颗大质量恒星耗尽燃料,它的核心会被自身的巨大引力剧烈压缩,最终形成了一颗极端致密的中子星。他们还提出,这种恒星核的内爆会引发恒星外层的巨大爆发,兹威基将之称为超新星


60年代中期,射电天文学家发现了银河系中的第一颗中子星,证实了兹威基的预言。


中子星的密度非常大,一个质量约为1.4到2.5个太阳质量的恒星,可以被压缩成一个直径约为20千米的城市大小的球体。然而,由于中子星的核心太过于致密,物理学家无法在实验室中创造相似的条件来对其进行研究,因此并不确定在核心处究竟发生了什么。


一般说来,科学家认为中子星的最外层是一层大气,由氢和氦等轻元素构成;大气层之下是一层由更重的离子(比如铁离子)构成的外壳;在外壳之下的一层中,离子会被压缩成晶格;在此之下,是一层充满了自由中子和离子的外核;而最内核则是紧密排列的核子与完整的夸克。


中子源


散裂中子源示意图。

从学术研究到核能项目,从医学到石油勘探,中子的制造都具有非凡的意义。因此,设计和制造能释放中子的中子源装置便显得尤为重要。中子源有很多种,其中反应堆中子源散裂中子源是可以产生高通量中子的大型核设施。


基于核反应堆的中子源能提供稳定、连续的中子流。而散裂中子源则需要用高能质子束与金属原子核发生撞击,使金属原子核被破坏成两个或三个更小的原子核以及若干中子。


目前,世界上正在运行的散裂中子源有美国的SNS、英国的ISIS,以及位于瑞典的ESS等。2017年,位于广东省的中国散裂中子源生成了第一束中子,标志着我国对中子的研究向前迈进了一大步。


自卢瑟福提出存在中子这一想法以来,100年过去了。它的提出和发现是20世纪原子物理发展的重要里程碑,它改变了我们对原子的认识,让我们知道组成物质基本结构的不仅仅只有质子和电子,还有第三种粒子。


而它的存在也很快科学家意识到,我们可以用它来侦测其他的原子核,从此开启了以中子撞击铀来导致铀原子核分裂、释放出巨大能量的研究,为后来的原子弹研究奠定了基础。


设计:岳岳

参考来源:

https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.1920.0040

https://www.sciencenews.org/article/top-10-science-anniversaries-2020

https://www.symmetrymagazine.org/article/a-brief-etymology-of-particle-physics

http://chemistry.bd.psu.edu/jircitano/neutron.html

https://www.nuclear-power.net/nuclear-power/reactor-physics/atomic-nuclear-physics/fundamental-particles/neutron/

https://www.quantamagazine.org/neutron-lifetime-puzzle-deepens-but-no-dark-matter-seen-20180213/

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01203-9#ref-CR4

https://www.symmetrymagazine.org/article/junejuly-2006/deconstruction

看看网友怎么说

星朗露秋尘:,

显识居士:迄今为止,只有《唯心识学》推导出了中子的理论质量与理论内禀磁矩。

一江春水143725303:这个演讲才是人类现代科学的开始,人类的科学还非常稚嫩。

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