【物理史中的二月】1932 年 2 月:查兌克(James Chadwick)中子的研究投書到《自然》期刊

1932年2月:查兌克(James Chadwick)中子的研究投書到《自然》期刊

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2014 年 2 月)

查兌克(James Chadwick)

在眾多見證著名的 1945 年 7 月 16 日三一核試(註:史上第一次核試爆代稱)的科學家中,有一位是謙虛的英國物理學家查兌克(James Chadwick)。許多物理學家都對此驚人成就做出了貢獻,這首先得提到查兌克於 1932 年發現了中子而使原子核分裂,以及使得核彈成為真正可能的前景。

查兌克出生在英國赤夏(Cheshire, England),家境普通,靠著獎學金於曼徹斯特的維多利亞大學學習物理,每天要走 4 哩路到學校。他以最優異的成績畢業,和拉塞福(Ernest B. Rutherford)合寫第一篇論文。查兌克於 1912 年獲得碩士學位,之後獲得獎學金到柏林跟隨蓋革(Hans Geiger)研究 β 輻射。

第一次世界大戰爆發時,蓋革去報到服役,並警告查兌克要儘快返回英國。查兌克試著離開,可是那時要離境已太難。他被誣陷說了叛逆的言論而被拘捕,囚禁獄中 10 天。實驗室精心策劃讓他出獄,於是他回到柏林工作,一個很快就讓他後悔的決定。

隨著戰爭的持續,所有英國公民都被送到魯勒本(Ruhleben)戰俘營,查兌克也不例外。戰俘營是以前的跑馬場,囚犯都拘禁在馬棚內,6 人窩居一室,床墊鋪在地上睡覺,食物匱乏。在戰俘營的第一個冬天很嚴峻:查兌克只能把衣服都蓋在身上睡覺,這在德國嚴寒的冬天是不夠的。他後來回憶說:「我還能記得我的腳在每天早上大約 11 點時開始解凍的痛苦。」

在那裡有少數幾個像查兌克一樣的科學家,所以允許他們在營區廢棄的營房建造一個簡陋的實驗室。他們和人交換化學物質,並以手邊能找到的材料建造儀器。其間查兌克曾有一次在悶熱的夏天傍晚,以手纏繞廢棄的銅線,製成了一個權宜的磁鐵。他發現釷粉牙膏有輕微放射性,也探索一氧化碳和氯的光化學反應。

1918 年 11 月,戰爭結束後,查兌克回到曼徹斯特他父母的屋子去調養身子。他的身體虛弱,在拘禁期間的惡劣情況使得他在往後幾年難以消化脂肪。他還身無分文,所以拉塞福為他找到了兼職的教書工作。當拉塞福接替湯木生(J. J. Thomson)擔任知名的卡文迪西實驗室主任時,查兌克選擇跟隨他的導師,做人工核蛻變的實驗研究,於 1921 年獲得博士學位。

拉塞福在那之前的前兩年發現了質子,但在接下來的實驗中,原子數一直比原子質量少。這不可能是由於電子數目的原因,因此拉塞福假設說,在原子核中有另一種粒子,有質量但不帶電荷。到了 1925 年,物理學家提出核自旋來解釋基曼效應(Zeeman effect,在磁場中,原子的能階分裂)在強磁場中的超精細結構,但它似乎不符合當時相信原子核裡面只有質子和電子的主要模型。

查兌克重複一個德國的實驗,在實驗中釙撞擊靶鈹,所產生不尋常的輻射形式,提供了一種不帶電新粒子的證據。受此鼓舞,查兌克傾全力做進一步實驗,時常整夜工作,他的努力幾星期後就得到了好結果。

20世紀初期拉塞福的實驗室

1932 年 2 月,查兌克投寄一篇短文到《自然》期刊,詳細說明他的實驗結果證明中子的存在。5 月時,他又投寄一篇論文,提供更多專業細節。此發現很快地得到波耳(Niels Bohr)和海森堡(Werner Heisenberg)的認同,查兌克並和高哈伯(Maurice Goldhaber)一起測量中子的質量,下結論說,中子是一種核粒子,而不是質子-電子對。

那時經濟持續蕭條,科學研究經費因而緊縮,甚至卡文迪西實驗室也一樣。查兌克想要蓋一個迴旋加速器,以趕上美國正在研究的尖端核物理,但拉塞福是守舊派,不想投資,他認為體積龐大、昂貴的設備對於做好科學不是必要的。查兌克很灰心,所以於 1935 年前往聲望較低的利物浦大學去接管一個舊實驗室,它非常老舊,還在用直流電。查兌克於同一年獲得諾貝爾獎,就用一部分獎金作為迴旋加速器的經費,再加上補助款和捐獻的物資來彌補不足。終於在 1939 年 7 月,加速器可以運轉了。

查兌克的發現使得在實驗室經由捕捉慢中子和β衰變,可以製造出比鈾更重的元素,對於最後核彈的發展是關鍵性的突破。由於中子不帶電荷,用它來穿越原子核,證明是一個理想的「子彈」。當第二次世界大戰爆發時,查兌克正和家人在瑞典度假。這一次,他立即返回英格蘭,以他的科學專長來測定鈾-235 的核截面。戰爭結束後,他於 1946 年在英格蘭過著以前的老日子。

1948 年,查兌克決定當劍橋大學岡維爾與凱斯學院(Gonville and Caius College)的院長,一直到 1958 年退休。1974 年,查兌克在睡夢中安詳辭世,這對這位寡言科學家高壽、精采的一生來說是恰如其人的結束。

 

譯者註:在 1930 年代,《自然》期刊設有專欄,刊登科學家投書的短篇論文(Letter),簡要發表新發現或論點。但在專欄前,編輯特別聲明所刊登的短信並未經審稿手續,所以《自然》對內容不負任何責任。現今所有期刊發表的通訊短文(Letters)都經過審稿,且更加嚴格。

 

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