【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）
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。
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。
