著:姚荏富

1919年,拉賽福在發表的論文中說到

「氮原子在被快速的α射線撞擊直接撞擊後發生了元素間的轉換,其中釋放出來的氫離子,應該是氮原子核的組成成分」

過去曾有科學家認為氫就是組成其他元素的單位,而這次拉賽福用實驗證明了這件事,隨後拉賽福將這些氫原子核以希臘文的「第一」來命名,也就是我們現在說的「質子」。

但在發現質子後,當時主攻同位素的研究的拉賽福發現,原子序與原子量之間有著無法解釋的問題,那就是當我們量測出質子與電子的質量後,兩者質量的總和只有原子量的一半,但剩下的質量從哪來呢?當時科學界對於這些質量的來源眾說紛紜,而提出此項發現的拉賽福也提出了他自己大膽且創新的假設。

1920年在某次演講中提到拉賽福對這個質量來源的假設

「原子內除了質子外,在某些情況下,可能會發生一個電子與一個質子緊密結合組成一種中性的粒子(實際上他是說雙子)的狀況。他電荷為零,難以被光譜所測量到,而且很容易進入原子的內部。」

拉賽福認為,原子核內部應該有一種特殊粒子,這種粒子帶中性電,可能是由一個電子與一個質子共同組成的,這種複合粒子因為不帶電所以十分難被量測到。雖然拉賽福猜中性粒子是由電子與質子的假設方向並不正確,但這個原子內質量的難題也如同拉賽福所預估的那樣,由於帶有電中性所以無法用電場或磁場加以區別,實在是難以量測其性質,所以解答遲遲沒有出現,這一遲便是十年的歲月,直到最後成功解答這項難題的是在1911年便追隨拉賽福到卡文狄席實驗室的查兌克。

自從拉賽福開始用α射線當作砲彈打出原子核、打出質子後,許多科學家也相繼使用各式射線對著原子開火,希望藉此能夠找到更多原子核內的資訊。而這樣的嘗試確實也得到了不少的成果,只是這些資訊仍不足以解答原子核內質量的秘密。

直到1930年,德國科學家波特發現,若是使用放射元素釙的α射線去撞金屬鈹等特定物質,會讓鈹發出一種具有高能與高穿透性的射線,所以他也將這種射線叫做「鈹射線」。波特發表的實驗引起了當時放射元素的大家居禮夫婦(這裡的居禮是居禮夫人的女兒)的注意,1931年,他們重複了波特的實驗,發現鈹射線的穿透性強的超乎他們的想像,於是乎夫妻兩人開始著手深入研究這個鈹射線到底是什麼東西。就在隔年1932年,他們有了新的進展,居禮夫婦用鈹射線拿去打石蠟(表面上很多氫的碳氫化合物),發現打出許多高速質子(氫原子核),居禮夫婦因為這種射線帶中性電又具有高穿透性,所以將鈹射線解釋為一種高能γ射線。

當居禮夫婦發表著他們對鈹射線的推論同時,曾經提出中性粒子假設的拉賽福與其學生查兌克馬上就發覺,這個鈹射線應該不是γ射線,正常γ射線根本沒辦法高能到把質子打下來,而這種射線很有可能就是他們正在找的中性粒子。對此已經找尋中性粒子十多年的查兌克馬上開始重複居禮夫婦的實驗並檢驗這種射線究竟有什麼樣的性質。查兌克發現,雖然鈹射線和γ射線一樣,中性不帶電、穿透性極強,但有一點和γ射線十分不同,那就是γ射線是以光速前進,但這個鈹射線卻只有光速的1/10快而已,對γ射線來說這樣的速度真的太慢了,速度沒γ射線大能量卻相當高,這個鈹射線更有可能是他們所預測的中性粒子了。隨著研究的加深查兌克還發現,將鈹射線直接打進氮氣中,會發現少數射線打入氮原子中,但γ射線並不會發生這種現象,很明顯的,這個鈹射線根本就不是γ射線。

就在居禮夫婦發表鈹射線研究的後一個月,查兌克便發表了一篇名為《中子可能存在》的文章,其中闡述了他對這種中性粒子存在可能的論述,並在不久之後發表了另外一篇名為《中子存在》的文章,詳細的介紹了自己的實驗與論述,並推論居禮夫婦所研究的鈹射線就是原子核內的中性原子——中子。

查兌克在實驗中提到,他用鈹射線撞擊硼,實驗結果就如他所假設的一樣,撞擊後新生成的的原子和質量確實增加了,而且經過推算還發現,如果鈹射線是γ射線的話便會違背能量守恆以及動量守恆定律,但如果將鈹射線視為與質子大小相仿的中性粒子,就能夠完全解決違背定律的問題。此外查兌克還利用雲霧室測得了鈹射線的質量,這種粒子的質量與帶正電的質子大略相同,這再一次證明鈹射線就是拉賽福所假設的中性粒子,只是這個中子本身就是中性並非一個質子加一個電子的復合粒子就是了。但若是沒有拉賽福的假設,長期尋找中子的查兌克,或許也沒辦法利用強大的理論基礎從居禮夫婦的實驗中看見端倪了也說不定。總之,拉賽福與查兌克念茲在茲十多年的中子終於被發現了。

中子的發現,從理論到驗證花了十多年的時間,若是波特沒有用α射線去打鈹,就不會發現鈹射線;若是居禮夫婦沒有花時間去實驗鈹射線的特性,查兌克也不一定會注意到鈹射線與γ射線根本不一樣。除此之外,卡文迪西實驗室所累積下來的強大知識基礎與勇於突破也是十分重要的關鍵。

當初電磁大師湯木生從對陰極射線研究發現電子存在,挑戰了原子不可分割的概念,並假設出原子的西瓜模型。隨後拉賽福便藉由α射線發現原子核與質子,推翻了自己老師的西瓜模型,在利用其對放射性與同位素的研究做出中性粒子的假設。最後由查兌克耗時十年找到中子存在的證據,並且同樣推翻自己老師原本對中子是由質子與電子組成的複合粒子的假設。正因為卡文迪西實驗室強大知識背景以及勇於提出新見解的文化,才讓這些新發現出現時,能夠水到渠成的去考驗前人的假設。而科學就是如此,不斷的提出見解然後不斷的被挑戰,經過科學家們與歲月的考驗,錯誤會被修正,較為正確的答案會被留下,繼續為我們勾勒出真實世界的輪廓。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《從故事看科學》世潮初版

《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版

《諾貝爾百年百人—化學獎》世潮出版

《科學史》華立文化出版

《科學的1000個瞬間》究竟出版

《化學簡史》中國人民大學出版