质子和中子

质子和中子

核就像电子、质子、光子和引力子一样，也有自旋。通过对给定核所产生的光谱细线的仔细研究并采用其他方法，可以确定其自旋的值。

如果核是由像质子和电子那样的组分粒子组成的，那么理所当然，核的总自旋值应该是组分粒子的自旋值的总和。这是因为自旋代表了角动量，长期以来，物理学家们已经发现存在一个角动量守恒定律。换句话说，你既不能凭空产生自旋，也不能使自旋消失。角动量只能从一个物体转移至另一个物体。

通过对这一定律进行检验，证明了它适用于所有普通物体。一个普通的自旋物体（例如你用手使硬币产生旋转)似乎没有从任何地方得到它的自旋。然而，自旋来自于你的手的运动，当你用手旋转硬币时，你的手、身体的其他部分以及你接触到的任何东西——椅子、地面、地球——都会获得一个相反的旋转。（角动量可以是两个方向中的任何一个，可以相加或相减，两个方向可以相互抵消。此外，在一个方向形成的同时，另一个方向就会自动抵消。这就是说净角动量——把所有的加和减综合在一起得到的角动量——是守恒的。)

角动量的值不仅取决于旋转的速度，而且取决于旋转物体的质量。当你用手旋转一枚硬币使它产生自旋时，由于地球与硬币相比质量实在太大了，因此使它产生的反方向旋转速度也实在太小了，以至于用任何能想到的方法都无法测量出来。当硬币因表面摩擦使自旋渐渐减慢直至最终停止时，地球的那种慢到不可思议的反向自旋也会慢下来，直至停止。

对正在自旋的粒子而言，如果任其自然，那么，它们的自旋可能会永远持续下去。质子和电子的自旋均可用半整数＋1/2和-1/2来表示。（这两种粒子尽管质量不同，但总的自旋是相同的。电子由于质量较小，因此自旋速度较大。当然，自旋可以是任一方向的。)

如果一个核中的质子数和电子数都是偶数，那么它们的自旋相加后得到的总自旋必定是0或整数。例如，两个自旋可以是＋1/2和＋1/2，或＋1/2和-1/2，或-1/2和＋1/2，或-1/2和-1/2。其和分别为＋1、0、0和-1。你可以设想有4个、6个、8个或任何偶数个半整数自旋，并采用你喜欢的任何加和减的组合，对它们进行运算，最终总会得出0、正整数或负整数。

如果总粒子数是奇数，每个粒子都具有一个半整数自旋，那么，不管你如何变更加减运算，最终总会得出一个半整数自旋。例如，如果有3个粒子，它们可以是＋1/2、＋1/2和＋1/2，那么总和为；它们也可以是＋1/2、＋1/2和-1/2，那么总和为＋1/2。对于3个、5个、7个或任何奇数个半整数自旋，无论你如何变更加减运算，总会得出＋1/2、-1/2、正整数＋1/2或负整数-1/2。

这使我们想起了氮14核，根据分光镜显示的研究结果，它的自旋为＋1或-1。氮14核的质量数为14，所带电荷为＋7。根据核结构的质子—电子方案，它的核必须由14个质子和7个电子组成，或者说共有21个粒子。然而，21是奇数，相加后的总自旋必定是半整数，而不可能是＋1或-1。

这给物理学家们带来了很多麻烦。他们既不想放弃核的质子—电子结构，因为它是如此简单而且又能解释许多现象；但他们也不想放弃角动量守恒定律。

早在1920年，一些物理学家，特别是卢瑟福，很想知道质子—电子的组合是否能被看作单个粒子。它将会具有质子的质量（或由于电子的存在会略微重一些)，所带电荷为0。

当然，你不能认为这种粒子只是质子和电子融合在一起，因为每个粒子还会为这种融合提供＋1/2或-1/2的自旋。那么为什么这种融合的粒子会具有0、＋1或-1的自旋呢？无论你是分开计算质子和电子的自旋，还是合起来计算它们的自旋，氮核的总自旋仍是半整数。

因此，你必须改变原来的想法，认为这种粒子像质子那样，质量为1，所带电荷为0，自旋为＋1/2或-1/2。因为只有这样才与我们观测到的氮核相等。1921年，美国化学家哈金斯（William Draper Harkins，1871—1951)因这种粒子是电中性的而把它称为中子。

在整个20世纪20年代，这种可能性始终存在于物理学家们的头脑里。但是，由于假设的中子从未被实际探测到过，因此很难完全站住脚。而质子—电子结构仍被继续使用，尽管它不符合所有的事实情况。（科学家们通常不会抛弃一种看起来很有用的概念，除非他们确认有一种更好的概念能替代它。在科学的进程中，抛弃或用一些非常模糊的概念来替代一些有用的概念并不是一个好主意。)

1930年，德国物理学家博特（Walter W.G.F.Bothe，1891—1957)说，当他用α粒子对一种轻元素铍进行轰击时，能获得某种辐射。它的穿透性非常强，而且似乎不带电荷。他能够想到的具有这些特征的东西只有γ射线，因此，他觉得他得到的就是γ射线。

1932年，法国物理学家弗雷德里克·约里奥居里（Frédéric Joliot-Curie，1900—1958)和他的妻子伊雷娜·约里奥居里（Irène Joliot-Curie，1897—1956)——也就是皮埃尔·居里和玛丽·居里的女儿——发现，当博特得到的辐射撞击石蜡时，会造成从石蜡中放出质子。人们知道γ射线不能起这样的作用，但是约里奥居里夫妇想不出任何别的解释。

1932年，英国物理学家查德威克（James Chadwick，1891—1974)重复了博特和约里奥居里夫妇的实验，并推断，要想通过辐射放出像质子这种重粒子，那它本身必须是由重粒子组成的。由于这种辐射确实不带电荷，因此，他确定这就是物理学家们正在寻找的中性重粒子——中子。结果确实如此，查德威克因为他的这项发现而获得了1935年的诺贝尔奖。

一旦中子被发现，海森伯立即提出，原子核是由紧密结合的质子团和中子团组成的。例如，氮核是由7个质子和7个中子组成的，每个粒子的质量数均为1。因此，氮核的总质量数为14。由于质子只带1个正电荷，而中子所带电荷为0，因此总电荷为＋7，就像假设的那样。另外，现在一共有14个粒子——为偶数——因此核的总自旋可以为＋1或-1，与实测值一致。

由此可以得出这样的结论，质子—中子结构可以毫无例外地解释所有原子核的核自旋，同时又能解释用质子—电子结构解释得通的所有现象（就像我最终会解释的那样，有一个例外是后来才补充进去的)。事实上，自从发现中子后，在半个多世纪中，没有发现任何对核的质子—中子结构产生丝毫动摇的事物，尽管这一理论本身已经得到了一些改进。我们将在后面再谈这些内容。

例如，我们来考虑如何巧妙地用新的概念解释同位素的存在。某一给定元素的所有原子的核中，都有相同的质子数，因此都有相同的核电荷，然而中子数可能不同。

因此，氮14的核是由7个质子和7个中子组成的，而每3 000个氮核中有1个含有7个质子和8个中子，因而它是氮15。虽然最普通的氧核含有8个质子和8个中子，构成氧16的核，但有一些氧核含有8个质子和9个中子，甚至含有8个质子和10个中子（分别为氧17和氧18)。

即使是由单个质子组成、不含任何其他粒子的氢核（氢1)也不例外。1931年，美国化学家尤里（Harold Clayton Urey，1893—1981)指出，每7 000个氢原子中有1个是氢2，为此他获得了1934年的诺贝尔奖。氢2的核由1个质子和1个中子组成。人们常常把它称为氘（deuterium，这一名字源于希腊语中的“第二”一词)。

同样，铀238的核由92个质子和146个中子组成，而铀235的核则由92个质子和143个中子组成。可见，没有任何元素的同位素不是完全符合质子—中子核结构的。

质子和中子两者都存在于核中（有时候它们合在一起被称为核子)，两者的质量几乎相等，在适当的条件下两者都能从核中放出。然而，质子早在1914年就已被认作一种粒子了，而中子却还得再等18年才被发现。为什么花了这么长的时间才发现中子呢？原因是，电荷是一种粒子最容易被认识到的一个方面。质子是带电荷的，而中子却不带电荷。

认定亚原子粒子存在的最早的方法之一是使用金箔验电器。这种装置是由两张很薄很轻的金箔和与之相连的杆组成的，为了防止干扰气流的影响，设计时将它们封闭在一个盒子中。如果带电物体与杆接触，电荷就会立即传入金箔。由于两张金箔接收到的是相同性质的电荷，它们就会相互排斥，分开成倒“V”形。

如果不受任何干扰，验电器的金箔就会保持分开状态。然而，任何进入验电器的带电粒子流，会与空气分子的电子相撞。这就会产生带负电的电子和带正电的离子（带电粒子流是致电离辐射的一个例子)。这些带电粒子中的某一种会中和一张金箔上的电荷，从而使两张金箔慢慢地靠在一起。然而，中子流不是致电离辐射，它不带电，因而既不会与原子和分子中的电子相吸，也不会与之相斥。因此，用验电器不能探测到中子。

1913年，德国物理学家盖革（Hans Wilhelm Geiger，1882—1945)发明了一种装置，它由一个装有气体并处于高电势状态下的圆筒组成，但是它的强度还不足以迫使电火花穿过气体。只要有一点点致电离辐射进入圆筒，就会马上形成离子，这个离子受电势牵引穿过圆筒，并产生更多的离子。即使是单个亚原子粒子产生放电也会使计数器发出咔哒声。盖革计数器作为一种亚原子粒子的计数方法从此变得很有名气。

1911年，甚至更早一些，英国物理学家威耳逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869—1959)发明了云室。他使无尘潮湿的空气在一个圆筒中膨胀。随着空气的膨胀，它会被冷却，一部分湿气就会冷凝成微小的水滴，假如有灰尘粒子出现，就会以它为中心形成小水滴。如果不存在灰尘粒子，则水就保持蒸气形态。如果有亚原子粒子进入云室，它就会沿着本身的轨迹形成离子，这些离子就会成为水滴的冷凝中心。围绕每个离子会形成一个微小的水滴。用这种方法，不仅能探测到粒子，而且能探测到其运动轨迹。如果将云室放入电场或磁场中，高速运动的带电粒子会相应地偏转——它的轨迹是可见的。威耳逊因发明该装置而获得了1927年的诺贝尔奖。

1952年，美国物理学家格拉泽（Donald Arthur Glaser，1926—　)发明了一种类似的装置。格拉泽采用使液体升温至产生蒸气气泡的办法来代替使气体冷却产生液体小滴的办法。当亚原子粒子进入时，沿着粒子的运动轨迹会形成气泡。格拉泽因发明“气泡室”而获得了1960年的诺贝尔奖。

所有这些装置以及许多其他类似的装置，都只对由致电离辐射产生的离子有反应；这是因为它们是带电粒子。可以说，这些装置中没有一个能对静悄悄地进入或离去的中子起作用。

中子的存在只能间接地探测到。如果一个在某探测装置内形成的中子，在行进了一段距离后，与其他某些能够被探测到的粒子发生碰撞——只要该中子改变了另一个粒子的轨迹，或形成了新的能够被探测到的粒子——这时在两个轨迹之间会存在一个间隙，这表示在一端形成了中子，而在另一端中子与其他物体发生了碰撞。这个间隙中肯定存在某种东西，而根据这两组轨迹的性质可以知道，认为间隙中存在一个中子是合乎逻辑的。

利用粒子探测装置进行研究的物理学家们学会了用照相机拍下以小水滴、气泡、火花线等形式表现出来的复杂的运动轨迹，并且能像我们读这本书那样轻易地解释所有细节。

也就是因为中子在这些装置中没有留下任何痕迹才使它在推迟了那么多年之后才被发现。然而，一旦被发现，就证明了它们是极其重要的，只要我们让时间倒回一点点就会看到这一点。