机遇只偏爱有准备的头脑——诺贝尔奖得主查德威克，本文主要内容关键词为：诺贝尔奖论文,得主论文,机遇论文,威克论文,头脑论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1935年度，当瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予J.查德威克，以表彰他发现并证实了一种新的建造分子和原子的基石，即“中子”的时候，有些人认为，查德威克的成功是靠运气偶然发现的。理由是查德威克真正的实验工作只有几天的时间。然而，事实并非如此，任何科学的发现都必须具备赖以成功的基础和条件，偶然的发现蕴藏在历史的必然之中。单就查德威克本人的情况来说，在发现中子以前，已经是一位极有才华和富有成就的物理学家了。
查德威克于1891年10月20日出生在英国的曼彻斯特，并在曼彻斯特接受了中学教育，19岁时他参加了两项考试并且获得曼彻斯特大学的两个奖学金。1911年，他以一流的成绩在曼彻斯特大学毕业，继续留校在卢瑟福实验室研究放射性，并于1913年获硕士学位，随即赴柏林向卢瑟福的合作者盖革（H.W.Geiger）学习。盖革很高兴把查德威克介绍给周围的人，使他有幸认识了爱因斯坦（A.Einstein）、哈恩（O.Hahn）、迈特纳（L.Meither）等柏林科学界名人[1]。后来第一次世界大战爆发，他被整整拘禁了4年。这4年间，在盖革和其他的物理学家的帮助下，建立了一个小小的研究实验室，专心致力于β射线的研究。在1932年之前，查德威克就取得了一些成就：1914年发现β射线的能谱是连续的；1919年参与了卢瑟福的第一次人工核反应的研究工作；1920年通过铂、银和铜核研究α粒子的散射，直接测出了原子核的电荷，从而完成证实卢瑟福的原子理论和关于原子核结构以及核电荷数与原子序数相等的理论；1923年当上了卡文迪许实验室的助理主任，是卢瑟福的主要助手和合作者。在发现中子——他一生中最伟大的成就这件事中，查德威克取得了成功，他成功的关键因素在于对中子概念在头脑中早有准备，以及在探索中子的过程中多次失败所积累起来的经验。
1 对中子概念的精神准备
可能存在“不带电的小粒子”的思想，在查德威克之前就多次被提出过。例如，能斯脱（W.H.Nernst）就曾提出，可以由一个负电子和相等的正电荷组成一个中性粒子，这些“中子”可能具有以太的许多性质。布拉格（W.L.Bragg）曾提出， 放射性物质发出的γ射线是由小的中性粒子构成，当它破裂时就会释放出负电子[2]。
关于带有中子特性的中性粒子的第一个假说是卢瑟福在1920年提出的。1920年6月3日，在英国皇家学会举行的贝克利（Bakerian）讲座的著名报告中，卢瑟福提出“在某些条件下，一个电子很可能紧密地同H核结合，从而形成一个中性偶极子。这样一个原子具有异常的特性，它的外部电场实际上等于零，除非很靠近它的核，因此它能够自由地通过，……。这种原子的存在对解释重元素的核的构成看来是必不可少的。因为除非我们假定带电粒子有非常高的速度，否则就难以理解任何带正电的粒子能克服强大的排斥场而到达重原子的核。”在此之前，在1920年2月的《物理评论》上，美国化学家哈金斯（W.D.Harkins）也提出了有关中子的思想。当然卢瑟福提出的关于存在中子的思想并不是单单靠逻辑推理，而是以1920年夏季阿斯顿（F.W.Aston ）所做的实验为科学依据的。阿斯顿制成了物质谱线仪并借此确定了稀有的放射性同位素的存在，还利用摄谱仪观测到了氢原子核的质量。卢瑟福在1919年根据氮蜕变为氧的实验事实判定质子（即氢核）是氮核和各种元素的核的组成部分之后，就认识到了元素的质量数A与电荷数Z（原子序数）之间的矛盾。1920年，卢瑟福指出，如果把一个质子和一个电子作为一个复合体，看成是单独的一个粒子，理论的矛盾就能够得到解决，这种“质子—电子”复合体应当是电中性的，卢瑟福预言了它的存在。同年圣诞节，卢瑟福在给少年儿童讲科普知识时，再次指出“既然原子中有带负电的电子，有带正电的质子，为什么没有不带电的中性粒子呢？”哈金斯认为卢瑟福提出的假说很有道理，并把这种中性粒子称为“中子”。当时卢瑟福的学生和同事们深信他的科学预言，而查德威克也是其中的一位。
2 艰难的探索
自从卢瑟福预言了中子的存在，许多学者就立即投入探测寻找中子的实验中去。然而，好多年来，人们一直没能从实验中证实中性粒子的存在。早在1921年，格拉孙（J.L.Glasson）和罗伯兹（Robertz）就在卡文迪许实验室做过一些实验，希望能在带电粒子穿过氢时形成这种粒子。遗憾的是他们的结果是否定的。查德威克和他的两个学生康斯特布尔（Constable）和波拉德（Pollard）经历了“一段短暂但是激动的时间，尽管我们发现了中子的一些证据，然而不知怎么的证据又没有了。”[3]查德威克用不同的方法去激励放电管，用放射性物质的衰变过程，用α粒子产生的人工裂变等方法做了多次实验，但是结果都是否定的。毫无疑问，其他实验室所进行的类似实验也是不成功的。
在中子假说提出后，人们在寻找中子的10年间，遇到的都是不可避免的失败，这曾一度使卢瑟福失去信心。卢瑟福实验室的26号和27号笔记明明白白的记录着这10年的奋斗历程。查德威克一直坚持探索，尽管总是伴随着失败，他是这样描述的[3]：我……做了许多实验， 有些实验愚蠢之极。我认为我已养成一个习惯或冲动，那就是有事没事就学着卢瑟福，有时他会做些很笨的实验，我也跟着做。这些实验虽然很笨，但是他从不迟疑。有时甚至连记在笔记上的那些话语也是很愚蠢的。然而，当人们思考这些话的时候，开始总觉得这些话中一点也看不出他的想法。但是当你认认真真地咀嚼这些话的时候，你会觉得话中有话。我想卢瑟福的风格也同样适用于我们刚刚所说的愚蠢的实验。因为在失败中总会蕴藏着走向成功的可能性。人们千万不要忘了几小时甚至几天的工作总会得到一些肯定的因素……。直到1932年，你看，那是多么激动人心的时刻呀！”事实正如查德威克所说的那样，正因为不断地做愚蠢的事情，才能一步一步走向成功。
3 成功之路
查德威克走向成功的原因，除了在思想上对中子概念有了准备之外，还在于他善于抓住给予他的种种机遇，这个机遇，一是1928年德国物理学家玻特（W.Bothe）和贝克尔（H.Becker）利用钋源发射的粒子轰击铍靶的实验。他们发现从铍发出了一种强度不大但穿透能力极强的射线。经过对射线进行测试后，他们发现这种射线在电场和磁场中都不会发生偏转，在穿过2cm厚的铅板以后，射线的强度只减弱13％。当时把这种射线称为铍辐射。根据当时已发现的各种辐射的研究，α射线和β射线都没有这么强的穿透能力，唯一能穿透铅板的是γ射线，因此玻特和贝克尔错误地认为他们发现的是高能量的γ射线。事实上，所谓的铍辐射就是中子流。1931年，在苏黎世物理学家的聚会上，玻特报告了他们的实验结果。从客观上来说，玻特的工作主要受到实验条件的限制。当时他们所用的计数管不能对中子响应，而且α源很弱。遗憾的是，后来玻特转向了宇宙射线的研究。
另外一个机遇是1931 年底巴黎居里实验室的约里奥·居里夫妇（F.& I.Joliot－Curie）以强得多的α发射源重复玻特和贝克尔的工作， 然而机会都和他们擦肩而过。为什么？原因有二：首先，约里奥·居里夫妇缺乏“中性粒子”假说的思想准备。他们忽视了学术思想广泛交流的重要性，认为别人“所发表的演讲中，不一定有什么新的东西。”由于他们所持的这种对理论的轻视态度，影响了他们的科学探索工作。正是因为没有对中性粒子的追求和预期，当遇到中子的时候，就没有像查德威克那样敏感，也就错过了发现中子的机会。另外一方面就是他们缺少敏锐的洞察力，因而没有觉察到他们的解释违背了明显的常理。在实验中，为了测量物质对铍辐射的吸收，他们把各种物质放在铍板与辐射测量仪之间，意外地发现当把石蜡放在铍辐射经过的路径的时候，辐射测量仪上记录到的粒子数不仅没有减少，反而比不放石蜡时多得多。经过鉴定，他们发现从石蜡里飞出的是质子。这表明铍辐射从石蜡中打出了质子。这种情况用当时已知的γ射线的效应是解释不通的。由于γ射线的静止质量为零，因而根本没有将质子从原子中打出去的动量，甚至电子要做到这一点也嫌太轻。约里奥·居里夫妇没能看出这一点，实在是有点遗憾。而他们的工作却给查德威克一个很好的机会，查德威克也毫不犹豫的抓住了这个机会。
在实验条件上，1928年，盖革和米勒（Müller ）设计出了现在称为盖革计数器的仪器，用之于探测微观粒子，这种方法有效地代替了闪烁计数法，使核物理条件得到了保证。尤其是约里奥·居里夫妇的实验对查德威克有很大的启发，在诺贝尔演讲中查德威克曾这样说：“约里奥·居里先生及其夫人非常卓越的实验，在发现中子的路上迈出了真正的第一步。”查德威克读了约里奥·居里夫妇在《通报》（Comptes Rendus）上的文章，文章中报告了铍辐射极其惊人的特性， 他立即告诉了卢瑟福。“当这位爵爷听了他们的解释后，显得少有的激动。并说‘我不信’。罗马的一位年轻的物理学家埃托里·马约拉纳（Ettore Majorana）读了同一篇报告后，以他特有的嘲讽神气说‘真傻！他们已经发现了中性质子，却不认识它！’[4]”而此时查德威克则在实验中做了更多的工作。
查德威克进行了更细致的研究。他用铍辐射去照射轻、重不同的多种物质，发现射线的性质与通常的γ射线有所不同。当用这种射线轰击氢原子和氮原子时，打出了一些氢原子核和氮原子核。接着，他进行了如下的分析：1）考虑反冲现象的普遍性。 他对各种元素和气体一一进行试验，并证明毫无例外地发生核反冲现象；2 ）检验碰撞的能量关系。他在实验中用钋加铍作为源，不仅用氢，而且还用氢及氮与入射辐射碰撞。通过比较这些反冲，他假设：这类辐射中含有一种质量近似等于质子质量的中性物质成分；3）用云室测中子质量。 查德威克利用云室说明铍辐射中反冲原子的存在，并且假定这种辐射是由质量为M、 运动的最大速度为V的粒子组成。由这样一个粒子传给一个质量为1的氢原子的最大速度将是
中子的发现具有深远的意义。它引起了一系列的重大后果：第一是为核模型理论提供了重要证据，苏联科学家伊万宁科（D.lvanenko）据此首先提出了原子核是由质子和中子组成的理论；后来，海森堡（W.Heisenberg）也提出了一个核模型， 在量子力学的框架内，借助于同位旋的概念，引入了核交换力，并用他的理论成功地解释了有关放射性的一系列实验事实。第二是激发了一系列新课题的研究，引起一连串的新发现。第三是找到了核能实际应用的途径。用中子作为炮弹轰击原子核，比α粒子有大得多的威力。因此它像一把钥匙打开了原子核的大门。汉斯·博斯（H.A.Bethe）说：“1932 年以前的一切属于核物理学的史前史，1932年开始了核物理时代，因为1932年查德威克发现了中子。”对于查德威克，值得加以赞扬的是当中子没有出现时他没去探测它，而在中子最终出现时，他立即清楚而令人信服地发现了它。这些就是一位杰出的实验物理学家的敏锐的洞察力的体现。