歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1935

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撰文者:爾諾
發文日期:2019-12-19
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  • 1935年的諾貝爾物理獎頒給了發現中子的英國物理學家詹姆斯·查德威克 (James Chadwick, 1891-1974)。查德威克出身於勞工階級,1908年進入曼徹斯特維多利亞大學,在拉塞福的指導下,於1912年取得學位。1913年他前往德國柏林的帝國技術物理研究所,追隨曾擔任拉塞福助手的漢斯·蓋革研究β輻射。1914年夏天第一次世界大戰爆發後,查德威克由於逗留在德國,被送去柏林附近的魯赫本拘留營,拘留期間他獲准在馬槽中設立實驗室,使用如輻射牙膏等臨時物料進行實驗。他在停戰協定生效後的1918年11月被釋放。回英國後,拉塞福在曼徹斯特為查德威克提供了兼職的教學工作,讓他能夠繼續研究。拉塞福於1919年4月出任劍橋大學的卡文迪許實驗室的主任,查德威克則在數月後也到那裡任職。查德威克於1920年獲頒克拉克·馬克士威獎學金,並於劍橋大學的岡維爾與凱斯學院註冊成為博士生。他於1921年6月獲頒博士學位。同年11月獲聘為岡維爾與凱斯學院的院士。他是拉塞福的得力助手。
     
    James_Chadwick
    James Chadwick (圖片來源:Wikimedia common)

    當時唯一確認存在的粒子只有帶正電的質子與帶負電的電子。而帶正電的質子如何克服庫倫斥力而形成原子核讓科學家們困惑不已。拉塞福一直相信電子存在於原子核中﹐而電子與質子的吸引力讓核子束縛在一起,所以電子與質子形成的束縛態是不帶電荷的假想核子,他稱之為中子。但是不帶電荷的粒子難以偵測,直到1930年德國科學家瓦爾特·博特 (Walther Wilhelm Georg Bothe) 和他的學生赫伯特·貝克 (Herbert Becker),利用釙產生的α射線去轟擊鈹,得到了一種不尋常的輻射。查德威克開始懷疑,這種新的輻射是不是就是中子?1932年1月,巴黎的弗雷德里克和伊雷娜·約里奧-居禮利用釙撞擊鈹產生的輻射成功將石蠟的質子擊走,他們認為這種輻射是光子。但拉塞福與查德威克卻認為光子要敲走質子需要很高的能量。但與質子質量接近的中子只需少量的動能就能將質子敲走。無獨有偶地,羅馬的埃托雷·馬約拉納也得到類似的結論。

    為了證明中子的存在,查德威克推掉了所有的職務進行研究,不時在深夜工作。他設計了一套簡單的儀器,是一條圓柱體,裏面裝著作為射線來源的釙和作為轟擊目標的鈹。然後把所得的輻射指向各種物料,如石蠟;然後被擊中的粒子,即質子,會進入小的離子室,查德威克再用示波器觀測到裏面的質子。他發現未知輻射造成的散射截面遠大於光子所能造成的散射截面,確定未知輻射不是光子,而是中子,他更進一步他還估計了中子的質量,比質子重,但是略低於中子與質子的質量總和,事實上他的估計偏低,中子的質量比中子與質子的質量總和重,所以不可能是質子與電子的束縛態。中子實驗兩星期後的1932年2月,查德威克向《自然》發了一篇快報,題為《論中子存在的可能性》。他在5月將發現的詳細內容以論文的形式在皇家學會報告A系列發表,題為《論中子的存在》。

    中子的發現讓科學家能夠探索原子核的內部。在中子被發現前,物理學家使用的放射源大多是放出α粒子。由於α粒子則帶正電荷,因此會被其他原子核的電力排斥,而中子因為不帶電荷,並因此能夠輕易地穿透到原子核的內部。後來更進一步發現中子能引發核分裂,甚至能造成連鎖反應,釋放巨大能量。所以中子的發現開啟了原子能時代的大門,也拉開了未來核武對抗的序幕。

    這一年的諾貝爾獎對查德威克本人來說可以算得上是及時雨。他於1935年3月接受利物浦大學的邀請,出任里昂·瓊斯講座教授。10月1日才剛就任。諾貝爾委員會在11月就宣布查德威克獲得該年的物理學獎,因此提昇了利物浦大學的聲譽。他馬上著手為利物浦添置當時最新的儀器,回旋加速器。利物浦大學的回旋加速器於1939年7月安裝完成並開始運作。查德威克甚至自掏腰包付了部分的款項呢。

    查德威克在二戰時對英國的原子彈計畫有著非常重要的貢獻,他在1945年1月1日獲冊封為爵士。戰後他持續活躍於學界,他在1974年7月24日在睡夢中去世。

     
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