中子发现史：修订间差异

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2019年8月18日 (日) 22:13的版本

1933年索尔维会议中的詹姆斯·查德威克。查德威克于前一年在卡文迪许实验室研究期间发现了中子。

中子及其性质的发现是原子物理在20世纪上半叶的一项核心进展。欧内斯特·卢瑟福此前基于金箔实验的结果提出了较为原始的原子的卢瑟福模型。[1]:188 [2]在这个模型中，原子所具有的质量与正电荷集中在非常小的原子核中。[3]到了1920年，科学家发现了化学同位素，确定了原子量大约是氢原子质量的整数倍，[4]并将原子序数认定为原子核具有的电荷量。[5]:§1.1.2整个1920年代，科学界认为原子核是由当时已知的两种基本粒子质子和电子混合构成的。不过这种理论模型与实验结果存在矛盾之处。[1]:298

在中子1932年被詹姆斯·查德威克发现[6]并被认定为与质子不同的新的基本粒子后，原子核的基本性质得以确定。[7][8]:55

不带电的中子迅速成为了探测原子核结构的手段，并使科学家取得了一系列发现。这其中包括1934年通过中子照射合成的新的放射性元素，以及1938年发现的由中子引起的铀裂变。[9]核裂变使得核动力与核武器在二战末期得以产生。原本被视为基本粒子的质子和中子也在1960年代被科学家发现是由夸克构成的复合粒子。[10]

金箔实验

参见：原子理论和梅子布丁模型
原子核负β辐射示意图。原子核中放射出一颗快电子（图中省略了同时产生的反中微子）。在原子核的卢瑟福模型中，红色的球是质子，蓝色的球是紧缚着电子对外不显电性的质子。
旁边的小图展示了现在对于单颗自由中子β衰变的理解：衰变过程中产生了一颗电子和一颗反中微子。

20世纪初，有关原子是否真实存在的论争尚未尘埃落定。恩斯特·马赫与威廉·奥斯特瓦尔德等人并不认为原子真实存在，只将其视为便利的数学模型。而阿诺·索末菲与路德维希·玻尔兹曼等人则认为物理理论需要真实存在的原子。[9]:§1铀与钍的放射性此前不久得到了发现。欧内斯特·卢瑟福依照穿透一般物质或气体的能力将放射分为α、 β和γ三类[11]。这些射线在之后不久被认定为已知粒子，其中β射线于1900年由亨利·贝克勒尔认定为电子，α射线于1907年由卢瑟福和托马斯·罗伊兹（英语：Thomas Royds）认定为氦离子[12]，γ射线则在1914年被发现是一种电磁辐射[1]:62。这些粒子也被认定是从原子中放射出来的，因此它们用于散射实验成为了探索原子内部机理的线索。

1908年至1913年间，卢瑟福在曼彻斯特大学指导汉斯·盖革与欧内斯特·马斯登做了一系列金属箔片散射α粒子的实验。这些实验现在叫作卢瑟福金箔实验或盖革－马斯登实验。在实验结果中，他们发现有的α粒子在穿过金箔时会发生大角度散射。这种散射表明，原子中存在微小而致密的部分使得α粒子发生了这种偏折。基于测量结果，卢瑟福提出原子是由体积小、质量大同时还带有正电的原子核与在其周围较大体积内弥散的带负电的电子构成。α粒子所发生的大角度偏折需要原子质量这样集中分布。卢瑟福还提出了能解释这种散射的数学模型。[2]

在卢瑟福模型的启发下，尼尔斯·玻尔在1913年提出了电子围绕原子核做轨道运动的玻尔模型[13]。这个模型成为了1920年代中期发展起来的量子力学的基础之一。

同位素的发现

在卢瑟福与盖革和马斯登研究的同时，格拉斯哥大学的放射化学家弗雷德里克·索迪正在研究铀的衰变链。索迪曾是卢瑟福的学生。他发现铅和铀之间存在40种放射性元素。不过元素周期表中，两个元素间只有11种元素。[14]到了1913年，索迪确认其中部分元素化学性质相同。他将化学性质相同的元素称作“同位素”。[15][a]因为对放射性的研究及发现同位素，索迪获得了1921年的诺贝尔化学奖[16]。

阿斯顿的第三架质谱仪的复制品

基于约瑟夫·汤姆孙对带正电的原子因电磁场发生的偏折的研究，弗朗西斯·阿斯顿与1919年在卡文迪许实验室制造了第一架质谱仪[4]。他想要分离氖的两种同位素。阿斯顿发现所有同位素的质量都是氢原子质量的整数倍（即整数法则）。[17]他还随意地选取了氧-16的质量作为基准质量（设为16）计算了原子的相对质量。（现在的原子量单位是以碳-12质量作为基准制定的[18]。）具有讽刺意味的是，唯一的例外是氢原子，相对质量为1.008。尽管偏差量并不大，但是还是大于实验的不确定度。阿斯顿等人迅速意识到这个偏差量来自原子间的结合能。也就是说结合为单个原子的氢原子的总质量必然小于同样数目的自由的氢原子的总质量。他还需要确定核素的结合能。阿斯顿因为发现大量非放射性元素的同位素以及对整数法则的阐述获得了1922年的诺贝尔化学奖。 [19]基于阿斯顿发现的核结合能，亚瑟·爱丁顿推测恒星是通过将氢（质子）聚变为氦以及更重的元素来获得能量[20][21]。

原子序数与莫塞莱定律

主条目：莫塞莱定律

卢瑟福等人注意到以原子量单位计算的原子质量与卢瑟福的模型要求的核电荷量存在巨大差异。原子核所应具有的电荷量通常为原子质量的一半。1911年，安东尼厄斯·范登布鲁克（英语：Antonius van den Broek”）推测以Z表记的核电荷量不是元素原子质量的一半，而是元素的原子序数，也就是说是原子在元素周期表的序号。[1]:5当时，科学家并不知道元素周期表次序的物理意义，只知道化学性质类似的元素会在周期表中会排为一列。

1913年，曼彻斯特大学的亨利·莫塞莱与来访的玻尔讨论了新近建立的玻尔模型。[22]这个模型解释了氢原子的电磁辐射谱。莫塞莱想要知道像钴和镍这样较重的元素的电磁辐射谱是与原子质量有关，还是与元素在元素周期表的位置有关。1913年至1914年间，莫塞莱利用X射线衍射技术探究这个问题。他发现X射线谱中最强的短波长谱线K-α线（英语：K-alpha）与元素在元素周期表的位置，亦即原子序数Z有关。这个术语由莫塞莱引入。[5]:§1.1.2莫塞莱发现对于大多数的元素，辐射的频率可以用原子序数简单表示。[23]

在之后的一年里，人们注意到描述这两个物理量关系的方程可以在对其他元素的原子结构附加合理的假设后利用玻尔在1913年提出的模型解释。这个方程现在叫作“莫塞莱定律”。玻尔后来表示，莫塞莱的结果不仅使原子序数成为可以通过实验测定的物理量，还为它赋以“原子核的正电荷量”的物理意义。周期表中的元素至此不必再用原子质量，而可以利用原子序数排序。这个结果将元素周期表的组织、原子的玻尔模型以及原子核α散射的卢瑟福模型等理论结果联系在了一起。卢瑟福与玻尔等人认为这个结果是理解原子核性质的关键一步。[24]

原子物理的进一步研究随着一战爆发而中断。莫塞莱1915年在加里波利战役中战死，[25]卢瑟福的学生詹姆斯·查德威克则在战争期间遭到德国的拘禁。[26]莉泽·迈特纳与奥托·哈恩原本在柏林通过精准的化学分离测定镭与铀的衰变链。他们的研究工作也就此中止。[9]:§4一战期间，迈特纳在奥地利前线担任放射医师与医疗X光技师，哈恩则转为开发化学武器。

原子的卢瑟福模型

欧内斯特·卢瑟福
参见：质子的发现

1920年，卢瑟福获授皇家学会贝克奖（英语：Bakerian lecture）。在其题为《原子的核构造》（"Nuclear Constitution of Atoms"）的获奖演讲中，他汇总了当时对原子核的研究成果。[27][8]:231920年，科学界普遍认为原子核内存在电子。原子核则被假定为由数量为原子量的氢核构成。由于氢核带有一单位的正电荷，为了让原子核的总电荷量与原子序数相等，其中就需要带一单位负电荷的“核中电子”来中和。质子质量比电子质量大1800多倍，所以电子的质量在计算中可以忽略。这个模型符合α粒子重核散射的实验结果以及许多同位素的质量。质子－电子模型还可以用于解释其他问题。卢瑟福在当时表示：“我们有足够的理由相信原子核包含电子和正带电体。”[27]当时，科学家已经知道β射线是原子核放射出的电子。[8]:21

卢瑟福还在该演讲中预言了一些新粒子。α粒子非常稳定，因而当时科学家假定其在原子核中仍能保持为一个整体。科学家当时推测α粒子是由4个质子和2个紧缚电子构成，带有2单位正电荷，原子量为4。卢瑟福在其发表在1919年的一篇论文中报告了带有2单位正电荷原子量为3的新粒子，以X++表记。[28]卢瑟福认为这种新粒子是由3个质子和1个紧缚电子构成。为解释这个结果，卢瑟福推测可能会存在两种新粒子。一种由2个质子和1个紧缚电子构成，另一种则由一个质子和一个紧缚电子构成。X++粒子后来被证实只是低能的α粒子。[8]:25不过，卢瑟福仍然在那篇演讲中预测了质量为1的中性粒子[27]与质量为2且带1单位正电荷的氘核的存在。后者由哈罗德·尤里于1931年发现。[29]假想存在的中性粒子与质子质量差异甚小，因而卢瑟福认为利用当时的技术很难探测出这种不带电的粒子。

1921年，卢瑟福将那种不带电的粒子命名为中子（neutron）[30]。氢核也在同一时期得到了“质子”（proton）这个新名称。[b]“Neutron”这个词由拉丁语词根“neutral”及仿照“electron”和“proton”添加的希腊语词尾“-on”构成。[31][32]不过“Neutron”在1899年即有文献用于原子相关的研究。[33]

卢瑟福和查德威克迅速在剑桥大学的卡文迪许实验室开始了寻找中子的实验。[30][8]:27但二人在整个1920年代都没有找到中子的踪迹。[6]

卢瑟福的假设也没有得到科学界的普遍认同。当时在哥本哈根理论物理研究所工作的乔治·伽莫夫在他1931年出版的教科书《原子核的构造和放射性》（"Constitution of Atomic Nuclei and Radioactivity"）并没有提到中子假说。[34]1932年，当伊雷娜·约里奥-居里与弗雷德里克·约里奥-居里得到足以证明中子存在的测量数据时，他们却并不知道中子假说。[35]

核内电子假说的疑难

物理学界在整个1920年代都假定原子核由质子和“核内电子”构成。[8]:29–32[36][37]基于这个假说，氮-14原子（14N）的原子核由14个质子和7个电子构成，总体有7个单位的静电荷以及14个单位的质量。原子核与7个围绕原子核做轨道运动的“核外电子”构成完整的14N原子。[27]不过这个假说存在明显的问题。

拉尔夫·克勒尼希在1926年提出质子－电子假说并不符合原子能谱中的超精细结构的测量结果。这个结构来源于原子核对于核外电子的动力学作用。“核内电子”的磁矩会造成类似塞曼效应的超精细结构谱线分裂，但实验中并没有观测到这种现象，[38][8]:34就像核内电子的磁矩消失了一样。

佛朗哥·拉塞蒂1929年对分子能级的观测结果与质子－电子假说对核自旋的预测也不一致。[8]:35[39]氮分子（14N2）的分子拉曼光谱中偶数转动能级（英语：rotational spectroscopy）要比奇数能级发生的跃迁更强。这意味着处于偶数能级的粒子更多。[1]因此依据量子力学和泡利不相容原理，14N核的自旋是约化普朗克常数 ħ的整数倍。[40][41]不过质子和电子的內禀自旋为½ ħ。14个质子和7个电子总计21个±½ ħ并不能组成ħ的整数倍。

奥斯卡·克莱因在1928年发现的克莱因佯谬（英语：Klein paradox）进一步揭示了量子力学不允许核内电子存在。[42][38]从狄拉克方程可以推出当电子本身的能量与势垒接近时，这个电子就有很大的可能性穿过那个势垒。这样，核内电子就应该不会被原子核内的势垒困住。这个佯谬的意义在当时有很大的争议。[38]

1930年左右，科学界普遍认识到原子核的质子－电子模型与海森堡测不准原理也不能调和。[38][1]:299依据测不准原理，处于原子核这样小的空间中的电子动能的平均值为10–100 MeV。[1][43][c]这个能量值比当时观测到的从原子核中放射出的β射线的能量高。[1]同时电子能量的平均值也比核子的结合能高。阿斯顿等人当时已经给出单个核子的结合能小于9 MeV。[44]

尽管这些问题并不能否定核内电子的存在，但物理学家也很难给出与核内电子假说调和的解释。伽莫夫在他1931年出版的教科书中汇总了这些问题。此外还存在其他令人困惑的问题。β衰变电子连续分布的能谱展示了“核内电子”在这个过程中似乎并不遵守能量守恒。玻尔、伽莫夫、海森堡等人当时考虑量子力学可能不适用于原子核内的情形。[8]:40[34]由于量子力学当时在微观领域刚刚完成对经典力学的革新，因而量子力学也存在局限的看法在当时看来是合情合理的。这些问题在证实原子核内不存在电子之前让物理学界困惑不已。[36]

中子的发现

1930年，瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔在德国吉森发现当用从钋源放射出的高能α射线辐照一些轻元素时，特别是铍（9
4Be
）、硼（11
5B
）和锂（7
3Li
），会产生具有异常穿透力的辐射。其中铍产生的这种辐射最强。钋放射性强，能够产生高能α射线，当时广泛用于散射实验。[34]:99–110α射线由于带电，因而会受到电场的影响。不过观测到的具有强穿透能力辐射并不受电场影响，因而当时被推测可能是γ射线。这种辐射要比当时已知的γ射线更强，同时实验结果的一些细节也很难解释。[45][46][34]

1932年用于探测中子的实验装置示意图。左侧的铍的受到钋源产生的α粒子的辐照，产生不带电的射线。受到这种射线辐照的石蜡会释出质子。右侧的电离室用于检测质子。本示意图依据查德威克1932年论文原图绘制。[6]

两年后，伊雷娜·约里奥-居里与弗雷德里克·约里奥-居里在巴黎发现，石蜡等富氢化合物受到这种未知射线辐照时会释放出能量非常高的质子（5 MeV）。[47]这个观测结果从γ射线的角度不能得到解释。与质子发生康普顿散射的γ射线的能量会高得异常（50 MeV）。[5]:§1.3.1当时在罗马的青年物理学家埃托雷·马约拉纳认为与质子发生作用的射线应该是是种新的中性粒子。[48]

在听说了巴黎的实验结果后，卡文迪许实验室的卢瑟福和查德威克都不认为那种射线会是γ射线。[49]在诺曼·费瑟（英语：Norman Feather）帮助下，[50]查德威克立即开始实验，证明γ射线假说站不住脚。查德威克、J·E·R·康斯特布尔和欧内斯特·C·波拉德（英语：E.C. Pollard）已经开始利用钋α粒子使轻元素发生蜕变。[51]他们还提出了更为精准的方法来探测、计数和记录释放出的质子。查德威克重复了用铍产生的未知射线辐照石蜡的实验。石蜡中氢含量很高，作为靶子的质子在其中非常致密。由于中子与质子质量大致相等，质子会因中子发生很强的散射。查德威克测定了质子的分布范围，同时还观测了新辐射对几种气体的影响。[52]他发现新辐射并不是由γ射线，而是由与质子质量差不多的中性粒子构成。这种粒子就是中子。[53][6][54][15]查德威克因为这项发现获得1935年的诺贝尔物理学奖。[55]

1932年也成了卡文迪许实验室的核物理“奇迹年”。[52]中子、科克罗夫特－沃尔顿粒子加速器（英语：Cockcroft–Walton generator）中发生的人工核蜕变以及正电子都是在该年发现的。

原子核的质子－中子模型

氢、氦、锂、氖原子的原子核及电子能级的模型图。现实中，原子核的直径不到原子直径的十万分之一。

由于“质子－电子模型”存在种种问题，[36][37]原子核由质子和中子构成的猜想在中子性质尚不明确时即迅速得到科学界的认可。在中子发现的几个月后，维尔纳·海森堡[56][57][58][15]与德米特里· 伊万年科（英语：Dmitri Ivanenko）[59]提出了质子－种子模型的几种可能形式。[60]海森堡在他具有里程碑意义的论文中利用量子力学描述了原子核中的质子和中子。尽管海森堡的质子－中子理论是通过量子理论理解原子核的重要一步，[61]他还是假定了核内电子的存在。海森堡还特别假定中子是质子和电子构成的复合粒子。他并没有为这种粒子给出量子力学解释，也没有解释轻质电子束缚于核内的机制。海森堡首次从理论上引入了使核子结合在一起的核交换力。他认为质子和中子是处于不同的量子态的同种粒子。也就是说，不同的核子只是同位旋量子数不同。

质子－中子模型解释了氮分子存在的疑问。依据该模型，14N核中有3组成对的质子和中子。此外还有未配对的一个质子和一个中子。它们各自贡献同向的1⁄2 ħ组成1 ħ。这个模型符合实际情况。[62][63][64]不久后，其他核素间自旋的不同也通过中子得到解释。

不过质子－中子模型还是不能解释β辐射的来源。当时的理论并不能解释电子或正电子是如何从原子核中辐射出来的。[65]1934年，恩里科·费米发表论文，描述了 β衰变的过程（英语：Fermi's interaction）。他认为这个衰变其实是中子衰变为质子，并放出一个电子和一个中微子(当时尚未发现)。[66]费米类比了光子在原子过程中的产生和湮灭。伊万年科在1932年也提出过类似的方法。[62][67]依照费米的论文，中子应该是-½自旋粒子。依照费米的理论解决了由β射线连续能谱引起的β衰变是否遵守能量守恒的悬案。这个理论还是首个展示粒子产生和湮灭的理论。它为描述粒子的弱相互作用和强相互作用提供了普适而基础的方法。[66]尽管这篇论文通过了时间的考验，但其中的理论太过新颖，以致一开始接收它的《自然》杂志都因为其中推测因素太多将其退稿。[61]

中子的性质

1933年第七次索尔维会议

在中子发现后的几年里，一些科学家仍然认为中子是质子和电子组成的复合粒子。[68][69]比如，哈里·马西（英语：Harrie Massey）试图构造一个能解释高穿透力和电中性的中子复合模型。[70]这种看法是1920年代流行的质子和电子是仅有的两种基本粒子的观念的遗存。中子的性质成为了1933年第七次索尔维会议的中心议题。海森堡、尼尔斯·玻尔、莉泽·迈特纳、[[欧内斯特·劳伦斯]、费米、查德威克等人出席了这次会议。[61][71]根据查德威克在其贝克奖获奖演讲，其中最重要的问题是确定中子和质子质量的关系。如果中子质量小于质子和电子的质量之和(1.0078 u)，那么中子就有可能是两种粒子的复合粒子，因为在粒子结合过程中会损失掉与结合能等价的质量。如果中子质量大于这个值，那么中子就与质子一样是基本粒子。[54]这个问题在当时非常具有挑战性。因为电子的质量仅为质子质量的0.05%，实验的精度要求非常高。

而这个测量的难度也可以通过1932年到1934年间中子质量测量值分布范围的广度看出来。这个值目前的公认值为1.00866 u。在查德威克1932年报告中子发现的论文中，他估算中子质量在1.005 u到1.008 u之间。[49]利用α粒子轰击硼核的方法，约里奥-居里夫妇得到了一个较大值1.012 u。加州大学的欧内斯特·劳伦斯团队则利用他们新近发明的回旋加速器测得了一个较小值1.0006 u。[72]

1935年，查德威克和他的博士生莫里斯·戈德哈贝尔（英语：Maurice Goldhaber）对于种子质量做了首次较为精准的测量。他们利用铊-208（208Tl，当时叫作钍C"）放出的能量为2.6 MeV的γ射线使得氘核发生光致蜕变：[73]

2
1D
 		 + 
γ
  ||→ ||1
1H
 ||+ ||
n

由于质子和中子的质量相近，这个反应产生质子和中子的动能也会大致相等。反应产物中的质子动能是可以测定的（0.24 MeV），氘核的结合能也可就此确定（2.6 MeV - 2(0.24 MeV) = 2.1 MeV，用质量表示则为 0.0023 u）。中子质量就可通过下面这个等式确定：

md  +  b.e.  =  mp  +  mn

其中md,p,n分别是氘核、质子和中子的质量，“b.e.”为结合能。氘核和质子的质量是已知的，查德威克和戈德哈贝尔分别取为2.0142 u和1.0081 u。他们发现中子质量要比质子质量略大。基于氘核的取值不同，中子质量可能为1.0084 u或1.0090 u。[7]中子质量太大，不大可能是质子和电子的复合体，只能是基本粒子。[49]为了支持费米的理论，查德威克和戈德哈贝尔预测自由中子会发生β衰变，生成质子、电子和中微子。

1930年代的中子物理学

参见：中子磁矩、恩里科·费米、莉泽·迈特纳和奥托·哈恩

中子发现后不久，科学家意外发现中子磁矩非零的间接证据。中子磁矩的测定由奥托·斯特恩于1933年在汉堡的研究拉开序幕。他发现质子的磁矩异常地大。[74][75]到了1934年，移师匹兹堡的斯特恩团队和纽约的伊西多·拉比团队都发现利用质子和氘核磁矩测定值推导得出中子的磁矩为负，并且数值大过预期。[69][76][77][78][79]罗伯特·巴彻（1933年在安娜堡）以及[80]伊戈尔·塔姆和谢苗·阿尔特舒勒（英语：Semen Altshuler）（1934年在苏联）[69][81]也通过研究原子能谱的超精细结构测定了中子的磁矩。1930年后期，拉比团队利用新近发明的核磁共振技术测量了中子的精确值。[79]质子磁矩较大的数值以及中子磁矩为负这一点出乎科学家的预料，并引起诸多问题。[69]

费米与他的学生（帕尼斯贝尔纳路的少年（英语：Via Panisperna boys））1934年左右在罗马大学物理研究所（位于帕尼斯贝尔纳路）的合影。自左至右依次是：奥斯卡·达戈斯蒂诺（英语：Oscar D'Agostino）、埃米利奥·塞格雷、爱德华多·阿马尔迪（英语：Edoardo Amaldi）、佛朗哥·拉塞蒂以及费米。

中子在发现后迅速成为科学家探测原子核性质的新工具。之前的几十年里，散射实验中用的是α粒子。不过α粒子带两单位的正电荷，需要克服库伦斥力，很难与原子核直接作用。由于种子不带电，它们在原子核相互作用时就不用克服斥力。在发现中子后不久，查德威克的门生诺曼·费瑟就用中子和氮做了散射实验。[82] 费瑟发现中子会诱导氮核蜕变为硼并释放出α粒子。这是首个利用中子诱导核蜕变的实验。

恩里科·费米在罗马用中子轰击了较重的元素，发现产物具有放射性。到了1934年，费米已经用中子诱导22种元素产生放射性。这些元素中不少原子序数很大。他发现利用木质桌面上的实验效果要比大理石桌面的要好。费米推测木头中的质子可以放慢中子的速度，提高中子与原子核的碰撞几率。费米之后用石蜡慢化中子，发现受到轰击的元素的放射性提高了百余倍。慢中子与原子核的截面要比快中子大得多。1938年，费米因为“证明存在由中微子辐射诱导产生的新的放射性元素，并发现由慢中子引发的核反应”获得诺贝尔物理学奖。[83][84]

莉泽·迈特纳于奥托·哈恩1913年在实验室的合影。[9]
铀-235吸收中子发生核裂变。重核分裂为较轻的核并释放出更多的中子。

莉泽·迈特纳、奥托·哈恩以及他们的助手弗里茨·施特拉斯曼在柏林利用中子轰击铀核，深化费米的研究。他们三人在1934年至1938年间通过这种实验发现了大量有放射性的产物。他们认为这些产物是超铀元素。[85]这些元素的原子序数比铀（92）的大，不会自然产生。1938年，为逃避纳粹当局德奥合并后的反犹迫害，迈特纳逃到了瑞典。1938年12月16日至17日使用“镭－钡－新钍分提”的实验产生了令人困惑的结果：他们原本认为会产生镭的三种同位素，产物性质却与钡一致。[9]镭（原子序数88）与钡（原子序数56）是同族元素。1939年1月，哈恩提出实验产物不是原本认为的超铀元素，而是钡、镧、铈以及铂系元素。迈特纳和她的外甥奥托·弗里施之后不久将此类观测结果解释为铀发生“核裂变”的结果。这个术语由弗里施提出。[86]哈恩和他的合作者发现铀在吸收中子后变得不稳定会分裂为较轻的核。迈特纳和弗里施发现单个铀核裂变即可释放出200 MeV的能量。核裂变的发现让原子物理学界和公众非常激动。[9]哈恩和施特拉斯曼在有关核裂变的第二篇论文中预测核裂变会释放出更多的中子。[87]1939年3月，弗雷德里克·约里奥-居里团队证明这是链式反应的结果。哈恩在1945年因为发现重核裂变获得了1944年度的诺贝尔化学奖。[88][89]

1939年后的研究

1945年进行的曼哈顿计划的三位一体核试验是史上首次核试验
参见：芝加哥1号堆和粒子发现年表

1938年底核裂变的发现标志着核物理研究的中心由欧洲转移到美国。大量的科学家为躲避反犹迫害和即将到来的战争移居至美国。[90]:407–410美国的大学，特别是纽约的哥伦比亚大学和费米调任的芝加哥大学成为了核研究的新中心。[91][92]1942年，曼哈顿计划的新基地在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立。[93]这个战时研究项目旨在利用铀和钋由中子引发的链式反应所释放出的大量能量制造核武器。

在1932年中子和正电子发现后，科学家又发现了一系列新粒子，其中包括1936年发现的μ子、1947年发现的π介子和K介子以及1950年发现的Λ粒子。大量称作强子的粒子在1950年代至1960年代发现。默里·盖尔曼[94]和乔治·茨威格[95][96]在1964年提出了叫作“夸克模型”的强子分类方案。在这个模型中，质子和中子这样的粒子也并不是最基本的粒子，而是由更为基本的性质各异的“部分子”或“夸克”构成。夸克模型在1960年后期得到实验验证，并为中子反常的磁矩提供了解释。[97][10]

注释

  1. ^ 此前，还有其他科学家也猜测同位素可能存在，比如：
    • Strömholm, D. and Svedberg, T. (1909) "Untersuchungen über die Chemie der radioactiven Grundstoffe II." (Investigations into the chemistry of the radioactive elements, part 2), Zeitschrift für anorganischen Chemie, 63: 197–206.
    • Cameron, Alexander Thomas (1910). Radiochemistry. London, England: J. M. Dent & Sons, p. 141.
  2. ^ 卢瑟福在下面这篇论文的脚注中提到了氢核的新名称“proton”得到“不列颠科学促进会”（British Association）认可一事：
  3. ^ 原子核的直径R在10 fm量级。这样,核内电子依据测不准原理动量p的量级为h/R。这样推算，电子的相对论性动能为10–100 MeV。

参考文献

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延伸阅读

外部链接

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