發生這種核反應的過程可以表示為
42He+94Be126C+n
查德威克因發現中子,對原子核物理學做出了突出貢獻,因而榮獲了1938年度諾貝爾物理學獎。
中子的發現,打開了人們的眼界,可以說是人類認識原子核內部結構的一個轉折點。這之前,人們對原子核內部結構的認識是不清楚的。發現了中子之後,人們才明確了原子核是由質子和中子組成的。質子和中子統稱為核子。
電子的發現,打開了原子的大門,為人們探索原子的內部結構,建立原子模型奠定了基礎;同樣,中子的發現,為人們揭開原子核的秘密、探索原子核的內部性質,建立原子核的結構模型奠定了基礎,從而開創了人類研究原子核的新時代,具有重大的理論意義。
不僅如此,中子的發現還為原子能的利用開辟了廣闊的前景。人們在研究中發現,由於中子不帶電,很容易接近原子核,引起重原子核發生裂變。比如,大家已經知道的鈾-235被中子轟擊後分裂成兩個中等的原子核,同時釋放出大量的能量。倘若能連續不斷地引發大量的鈾核裂變,便有許許多多的能量釋放出來,從而為人類所利用。
因此,人們一般認為,人類進入原子能時代的大門是被中子打開的。
神秘的核力
揭示原子核內部的秘密要比研究原子問題困難得多。在原子中,電子與原子核之間相互作用屬於庫侖力。這種力的性質人們已經非常熟悉,但在原子核內,質子與中子、中子與中子、質子與質子之間的相互作用力的性質比庫侖力要複雜得多。核子之間的相互作用力稱為核力。對核力性質的研究雖然已經曆了幾十個年頭,至今仍有許多未解之謎,致使給原子核內部結構、性質、運動規律的研究帶來了很大的困難。60多年來,通過大量的實驗觀察和理論的探討,人們對核力性質的認識有了很大的進展。概括起來表現在以下幾個方麵。
核力是一種強相互作用
原子核非常小,半徑在10-15米以下。在這樣小的體積內,容納幾個到幾百個核子。其中質子帶有正電荷,在這樣短的距離內,從庫侖定律可以知道,兩個質子之間的排斥力是非常強的,超過100牛頓。由於每個核子質量很小,僅有10-27千克,那麼核子之間的引力作用是微不足道的,靠它不可能將核子聚集在一起。因此,在核子之間必然存在一種人們以前尚未認識的力。作用在核子之間的這種新力,就是核力。要想將幾個、幾十個甚至幾百個核子聚在10-15米這樣一個區域內,可以看出核力是多麼的強大。核力的強度約為質子之間電磁相互作用的100倍,是核子之間引力相互作用的1038倍。堪稱自然界中,人們已經認識到的各種相互作用的大亨。正因為核力如此強大,才能克服質子間的庫侖斥力作用,將核子緊緊地結合在一起。
核力是一個短程力
兩個帶有一定電荷的物體相距足夠遠的時候,它們之間的庫侖相互作用依然能夠表現出來;月亮與地球、地球與太陽相隔那麼遙遠,它們之間的引力作用依然存在。正是靠這種作用力,月亮圍繞地球、地球圍繞太陽才能周而複始地運轉著。人們稱這種相互作用力為長程力,意味著這兩種作用力的力程非常長。而核力的作用則不然,它的作用範圍非常短,隻有10-15米。在這樣短的距離內,核力表現非常強,一旦超過這個範圍,核力就迅速減少為零。這一點截然不同於電磁力和萬有引力。因此,核力稱為短程力。
核力與電荷無關
早在1932年的時候,德國理論物理學家海森伯(1901—1976年)就曾提出一種假設,在原子核內,質子與質子之間,中子與中子之間,質子與中子之間具有相同的核力。這就是說,核子之間的相互作用與核子是否帶電沒有關係,核力的這種特性稱為電荷的對稱性。
1937年,海森伯的這種假設已被實驗初步得到證實。在1946—1955年的10年間,這個假設被更為精確的實驗所證明。
通過實驗和理論計算,人們注意到,各種各樣的原子核,它們的密度基本相同,與原子核內質子數和中子數的多少沒有影響。計算結果為2.3×1017千克/米3,表明原子核的密度是一個常數。密度這樣大的物質在地球上還未曾發現過,但在宇宙間是存在的。比如,一顆恒星演化到後期的白矮,它的密度可達到109~1011千克/米3。中子星的半徑僅為10千米左右,而它的質量卻為太陽的兩倍,其密度可高達1017~1018千克/米3。