尋找萬物的本源2：進入原子核

之前我們聊完了歷經四代物理學家，終於搞清楚了原子模型。但這在研究過程中，電子和原子核的發現也打破了「原子不可再分」的認識。於是，科學家就開始思考，電子和原子核是不是可以再分？當然，我們現在知道，電子是基本粒子，是沒辦法繼續往下分的。而原子核實際上是可再分的，那科學家又是如何研究這個問題的呢？

今天，我們就來聊一聊：科學家對於原子核的探索。

發現質子

對於原子核的研究，其實還和上一期的老朋友盧瑟福有關。

上一期，我們有聊到盧瑟福研究原子時，用α粒子（氦核）轟擊金箔，然後記錄α粒子之後的變化。

通過這個辦法，盧瑟福發現原子核。那關於原子核是不是可以再分，盧瑟福想到的還是用α粒子轟擊的辦法。其實也好理解，他無非就是想看看能不能撞開原子核，這樣不就知道原子核是不是可再分了。

這次盧瑟福選擇的是轟擊氮原子核，結果他發現有一些極其小的物質被炸了出來。經過分析，他發現這些極其小的物質就是氫原子核。

Ａ：放射性物質 Ｃ：容器 Ｔ：閥門 Ｆ：鋁箔 Ｓ：熒光屏 Ｍ：顯微鏡

於是，盧瑟福進行了一番推測，大概的過程是這樣的：

氫原子核是原子核的基本單位，也就是說，氫原子應該是最簡單的原子核。而不同種類原子的原子核應該是有一堆氫核構成的。這也和道爾頓的「原子論」中，把氫原子的原子量設定為1的思想不謀而合。

盧瑟福把氫核命名為質子。氫核帶的是一個單位正電荷，電子是帶一個單位負電荷。所以，氫原子呈現電中性。

從盧瑟福得出的結論來看，其他原子的質量就應該是質子數的整數倍。那這個結論到底對不對，這還是需要拉出來溜溜才知道。於是，盧瑟福開始研究這個理論適不適用於氦原子核，結果呢？

他發現，氦原子核的質量接近於質子的四倍，如果按照盧瑟福的理論，那氦原子核就應該帶有4個單位正電荷，可問題是，氦原子核外只有2個電子，那豈不是氦原子要帶有2個單位正電荷了么？可事實上，氦原子是電中性的，這就相互矛盾了。

經過這一番推演，為了解決這個矛盾，盧瑟福預言：原子核內應該還存在一種基本成分，它是電中性的。

發現中子

如果我們翻開歷史就會發現，盧瑟福當時所在的卡文迪許實驗室被稱為諾貝爾獎幼兒園。在這裡，前前後後誕生了10多位諾獎得主，這些人大多是盧瑟福的學生和助手。而這些人對於微觀世界的貢獻十分巨大，這當中就有上一期我們提到的大名鼎鼎的波爾。

除了波爾之外，還有一位低調奢華的存在，他在二戰負責原子彈項目。他就是查德威克，也是盧瑟福的弟子之一。

不過，查德威克是碰巧成為了盧瑟福的弟子。話說16歲的查德威克到曼徹斯特大學註冊，他的理想專業是數學。結果排隊的時候排到物理專業的隊伍去了。

當他發現自己排錯隊伍的時候，他有點不好意思和緊張，不敢說自己是排錯了隊，最後只好硬著頭皮進了物理系，還成了盧瑟福的學生。

而最終查德威克證實了盧瑟福的預言，不過在他做出成果之前，那段時間很多科學家都在試圖找到盧瑟福預言的基本成分。

這其中就有居里夫人的女兒和女婿，伊雷娜·約里奧-居里和手弗雷德里克·約里奧-居里。

他們得知德國物理學家瓦爾特·博特和赫伯特·貝克爾用α粒子與鈹發生碰撞後會產生奇怪的輻射。

於是，他們自己也親自去做了這個實驗，證實了這個事實，並且還對外宣布，

這種輻射可以把質子從含有氫元素的物質中趕出去。

得出這樣的結論，使得伊雷娜·約里奧-居里和手弗雷德里克·約里奧-居里錯過了發現中子的機會。

查德威克得知此事之後，他就認為這很有可能和盧瑟福預言的基本成分有關。於是，他設計了一個實驗，同樣也還是用α粒子轟擊鈹，然後讓射線再去轟擊石蠟。這種射線會把石蠟的質子轟擊出來。

這時候，查德威克假定鈹被轟擊後，輻射出來的就是中子。然後他通過測量被打出質子的速度，推算出來中子的質量，這個質量只比質子差不多，稍微大了一點點，而且不帶電。

而接下來，我們可以通過中子和質子的區別，也就是帶電或者不帶電來證實查德威克的發現。這裡就要提到一種神奇的發明：威爾遜雲室。

威爾遜雲室可以用來探測遊離的粒子的軌跡，是英國物理學家查爾斯·威耳遜發明的。

具體的原理是這樣的，雲室是一個密封的環境，裡面充滿了過飽和的水蒸氣或者酒精。當一束粒子穿過時，雲室內的混合物會相互作用，快速冷凝，就會出現一個軌跡。這其實和飛機飛行會在高空留下軌跡的道理類似。

所以，當一束帶有質子和中子的輻射穿過雲室的時候，也會留下來軌跡。而我們在高中物理中其實學過，運動的帶電粒子在磁場中會發生偏轉，而不帶的粒子還會沿著直線運動。

因此，想要知道一束粒子當中是不是含有中子，我們只需給雲室加上磁場就可以。下圖中，直線軌跡就是中子留下來的，而曲線的就是帶電粒子留下來的軌跡。

通過這樣的辦法也就能確定中子的存在。後來，科學家測到了中子質量是1.6749*10^-27kg，而質子的質量是1.6726*10^-27kg，發現沒有？真的和查德威克推算的一樣，中子質量只比質子大了一點點。

因此，查德威克成為了中子的發現者，並且在1935年獲得了諾貝爾物理學獎。

核能時代

正是盧瑟福和查德威克的發現，人類打開了原子核世界。科學家開始能夠在核子的層面上進行操作，也為後來的核聚變、核裂變以及核能的使用打下了堅實的基礎。

但是，他們的發現也同時帶來兩個問題，

質子和中子還能繼續再分么？

原子核中質子和中子為什麼會被束縛在一起，是什麼作用導致的？

關於這兩個問題導致了物理學的進一步發展，由此還誕生了粒子物理標準模型。我們將會在後面幾期詳細講述。

關於，質子和中子的發現，我們就說到這裡。

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