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【變天啟示錄】親愛的,我在敵國篇:發現中子的查德威克

2019/6/3 — 13:19

Sir James Chadwick

Sir James Chadwick

【文/高崇文,中原大學物理系教授】

這幾天因為英國公投脫離歐盟一事,不僅整個英國陷入騷動,連帶地整個歐盟也受到影響。投票前各方都認為留歐派會以些微票數小勝,不料票一開出來,脫歐派卻贏了一百萬票。對許多在歐洲工作的英國人與在英國工作的歐洲人來講,可以算是晴天霹靂。英鎊狂跌,歐洲股市應聲倒地,搞得人心惶惶,這也難怪。一夕之間,風雲變色,真叫人無所適從啊。

不過比起一百零二年前的那個六月底,這幾天的騷動只是小巫見大巫。一九一四年六月二十八日塞拉耶佛的那兩聲槍響,改變了千萬人的人生。四個帝國在四年內相繼瓦解,歐洲四處烽火,多少大好頭顱葬送在砲火下。西線戰壕的苦戰更讓百萬壯者轉乎溝壑,時至今日,歐洲人還以「大戰 (Great War) 」來稱呼這場血腥異常的大災難。許多英國小鎮今天仍可以發現「大戰陣亡將士紀念碑」呢。但是這一場戰爭其實是歐洲兩大陣營擦槍走火的結果。當奧匈帝國皇儲斐迪南大公遇刺的消息傳開時,一般人以為奧匈帝國會”教訓”老是不安份的”塞爾維亞”,但是頂多只是場局限在巴爾幹半島的地區性戰爭。不料以斯拉夫大哥自居的俄羅斯強出頭,而因俄羅斯不斷擴軍而暗自心驚的德國參謀總部也緊張了起來。因為法國與俄國當時與英國結成三國協約。自普法戰爭後法國一直以洛林與亞爾薩斯兩省被併入德意志帝國為國恥,一心想要復仇。雖然之前德國總參謀長施里芬已制定了速戰速決的施里芬計劃:先利用德國發達的鐵路網,集中優勢兵力在6星期內打敗法國,再將部隊調往東線進攻俄國。德國參謀總部還是非常害怕兩面作戰。就在這種爾虞我詐的氣氛下,事情變得一發不可收拾。 7 月 28 日奧匈帝國終於向塞爾維亞宣戰。7 月 30 日俄國就開始了總動員,準備出兵援助塞爾維亞。8月1日德國發出最後通牒要求俄國在 12 小時內取消總動員,俄國對此置之不理,德國進而向俄國宣戰;並向法國提出最後通牒,要求其在德俄發生戰爭時保持中立,但法國拒絕,並進入總動員。8 月 3 日德國向法國宣戰。8 月 4 日德國入侵已保持永久中立的比利時;同日英國為了確保比利時的中立向德國宣戰。8 月 6 日奧匈帝國才向俄國宣戰。8 月 12 日英國也向奧匈帝國宣戰。於是乎歐洲列強全都捲入這場腥風血雨中。

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在這樣紛亂的世局中,有一位倒楣的英國青年學者正在德國柏林從事科學研究,一戰爆發時,身處敵國的他被送到拘留營!結果他在拘留營渡過了雙十年華中寶貴的四年。他就是發現中子的 Chadwick 爵士 (Sir James Chadwick)。

Chadwick 生於 1891 年,是家中的長子,父親約翰是綿紡工人,其母則是幫傭。雖然家境並不富裕,但憑著傑出的學業表現,Chadwick 於 1908 年進入曼徹斯特維多利亞大學 Victoria University of Manchester。(阿文在此當過兩年的博士後研究員,該校在 2004 年與 University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) 合併成為曼徹斯特大學。雖然校本部蓋得像中世紀歌德式的建築,其實是十九世紀蓋的。)他原本打算讀數學,但註冊時卻誤打誤撞進了物理系。當時的物理系系主任是日後成為核子物理之父的大人物拉塞福 (Ernest Rutherford) 。當時的系主任要負責分派大四學生畢業研究的題目,而拉塞福給 Chadwick 的題目是設計實驗來比較兩種不同輻射源的輻射強度。拉塞福所建議的方法其實是行不通的。Chadwick 雖然明明知道這個主意不行,可是他實在不敢對拉塞福說,誰敢呢? 拉塞福是出名的頑固老爹。他只好埋頭苦幹,幸虧皇天不負苦心人,最後Chadwick居然成功地完成拉塞福指定的任務。這次的實驗結果成了 Chadwick 的第一篇論文,而拉塞福還是這篇論文的共同作者。

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圖/ Sir James Chadwick, 1891-1974 (Wikimedia Commons) 

圖/ Sir James Chadwick, 1891-1974 (Wikimedia Commons)

圖/Ernest Rutherford,1871-1937 (Wikimedia Commons)

圖/Ernest Rutherford,1871-1937 (Wikimedia Commons)

1911 年以優異成績從大學畢業後,Chadwick 留在母系繼續研究如何去量各種氣體及液體的伽瑪射線吸收量。他於 1912 年就拿到碩士學位,並成為 Beyer Fellow 。次年他拿到了「 1851 年大英博覽會獎學金」,這個獎學金為期三年,所以 Chadwick 前往歐洲大陸繼續深造。他前往德國柏林的帝國技術物理研究所 (Physikalisch Technische Bundesanstalt) ,跟著師兄 Hans Geiger 研究 β 輻射。Geiger 是德國人,卻是在拉塞福指導下與 Ernest Marsden 完成有名的金箔實驗。 Geiger 新開發的計數器比之前感光偵測法更加準確, Chadwick 憑著這個儀器證明了 β 輻射的能譜並非之前所認為的離散線,而是在某些區間出現高峰值的連續能譜。 β 輻射的連續能譜一直要到 1930 年包利設想一種新的中性而且質量極輕的粒子的存在才得到完美的解釋,這個粒子在 1934 年被費米命名為「微中子」。

正當 Chadwick 醉心於物理研究時,第一次世界大戰爆發了。當時的 Chadwick 身陷敵國,結果被送去了魯赫本拘留營 (Ruhleben internment camp) 。德國依據日內瓦公約讓拘留營的人自治,雖然空間擁擠,日子倒還算安穩,裡頭還能辦音樂會跟足球賽呢。 Chadwick 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。在拘留營他還遇到一位英國皇家工兵見習生 Charles Drummond Ellis 。 Ellis 原本在德國度假,卻不巧遇到一戰,也被送到魯赫本來了。他們在拘留營一起著手研究起磷的離子化及一氧化碳和氯氣的光化學合成。Chadwick 與其它被拘留的人在停戰協定生效時的 1918 年 11 月被釋放,他回到了父母在曼徹斯特的家之後,還為了向萬國工業博覽會委員會報告,而將之前四年的研究發現整理成文。Ellis 回到英國後也”棄戎從筆”,跑去劍橋大學三一學院去學物理了。

戰後,拉塞福在曼徹斯特為 Chadwick 提供了兼職的教學工作,讓他能夠繼續研究鉑、銀與銅的核電荷,並發現它們與原子序是一致的,誤差僅在 1.5 %之內。當拉塞福於1919年4月出任劍橋大學 Cavendish 實驗室的主任, Chadwick 則在 1920 年拿到馬克士威爾獎學金成為劍橋大學的博士生。他於 1921 年 6 月拿到博士學位。1923 年他的獎學金期滿後,英國科學及工業研究部諮詢委員會主席 William McCormick 爵士安排他出任拉塞福的助理研究主任。這個職位的工作包含協助拉塞福挑選博士生。後來幾年拉塞福的博士生包括了John Cockcroft, Norman Feather 跟 Mark Oliphant ,後來都成了他的好朋友。由於很多學生都不知道自己想要做什麼,所以拉塞福與 Chadwick 會建議他們的研究題目。實驗室新完成的所有論文還都要交由 Chadwick 來編輯。他還在此遇到一起在拘留營的 Ellis 呢。他們後來還合寫了一本關於輻射的書: Radiations from Radioactive Substances。Ellis 後來成為倫敦國王學院的教授。

1927 年德國科學家 Walther Bothe 和他的學生 Herbert Becker 用釙放出的 α 射線去轟擊鈹,產生了一種不尋常的輻射。Chadwick 和拉塞福曾假定了一種假想粒子,叫「中子」,它是電中性的核子。對 Chadwick 而言,這種新的輻射看起來就是中子存在的證據。所以 Chadwick 讓他的澳洲學生 Hugh Webster 去複製Bothe的結果。接著在 1932 年 2 月 Chadwick 注意到另一項出乎意料的實驗。居禮夫人的女兒女婿 Frédéric 和 Irène Joliot-Curie 用釙和鈹所得的輻射將石蠟的質子給敲出來, Joliot-Curie 夫婦認定這是伽瑪射線造成的。但拉塞福與 Chadwick 都認為質子對伽瑪射線而言太重了,不太可能。反之中子只需少量的能量就能達到相同的效果。他們懷疑 Joliot-Curie 夫婦發現的正是中子。遠在羅馬的 Ettore Majorana 也得出同樣的結論。為了證明中子的存在,Chadwick 設計了一套簡單的儀器,一條圓柱體,裏面裝著作為輻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材料如石蠟;然後被擊中的粒子進入小的離子室,接著就可以用示波器觀測到裏面的質子。1932 年 2 月,Chadwick 在《自然》發了一篇快報。 5 月時他將實驗的詳細內容發表在皇家學會報告 A 系列 (proceeding or Royal society A)。正式宣佈他發現了中子。

這個發現解決了核子物理的一個大難題。之前普遍認為原子核是由質子與電子所構成的,因為這兩者是當時僅知的「基本粒子」。(其實質子不是基本粒子,這要等到後來才知道)。當自旋這個新的物理概念在 1925 年被引進時,就產生了難題。例如氮的質量數為 14  (表示一個氮原子核的質量是氫原子核的十四倍),假定氮的原子核是由14 個質子與 7 個電子,這樣可以得出正確的質量與電荷。但是因為質子與電子的自旋都是 1/2 ,如此一來質子與電子自旋加起來應該是半整數,但氮原子核的自旋實際上卻是整數!讀完 Chadwick 的論文後, Edward Condon和  Robert Bacher 想到如果中子的自旋為 1/2 ,而氮是由七個質子及七個中子組成的話,氮的自旋就會是整數,而問題也就迎刃而解了。

一開始Chadwick與拉塞福都以為中子是質子─電子的束縛態。Chadwick 在論文中估算中子約重 1.0067 u。由於質子與電子加起來則重 1.0078 u,束縛能約為 2 MeV,而這個大小聽上去頗為合理。但是當時 Bohr 跟 Heisenberg 認為中子是核子,而非質子─電子的束縛態。Heisenberg 還提出同位旋的概念表明質子與中子其實構成了一個二元組。這時需要對中子質量更精密的測量。這時一名納粹德國的難民兼卡文迪許實驗室研究生 Maurice Goldhaber 提出氘的光致蛻變可由伽瑪射線引發(氘 + 光子 --> 質子 + 中子)。 Chadwick 和 Goldhaber 研究這個反應,量出質子的動能為 1.05 MeV ,由此 Chadwick 算出的中子質量在 1.0084u 與 1.0090u 之間。所以中子的質量太大,不可能是質子─電子對,這個結果證實了 Bohr 和  Heisenberg 的理論。這是核子物理發展關鍵的一步。

發現中子後,人們想到如果元素可以捕獲慢中子再產生 β 衰變,在實驗室人工合成比鈾重的元素並非天方夜譚。特別是中子並不帶電,不像帶正電的 α 粒子,不需穿越任何的庫侖障壁,所以中子能夠穿透及進入最重的原子核(例如鈾)而形成人工超鈾元素。這點啟發了費米去研究中子及原子核碰撞所帶來的核反應,最終費米憑這項研究獲得了諾貝爾物理學獎。(但是費米其實做出來的是最早的核分裂,而非超鈾元素。不但費米搞錯了連諾貝爾委員會也搞錯了。)

Chadwick 於 1935 年 3 月收到了利物浦大學的邀請,希望他能出任 Lyon Jones 講座教授,接替退休的 Lionel Wilberforce 。Chadwick 接受了這項邀請,並於該年 10 月 1 日就任。諾貝爾委員會在他就任後不久的 11 月就宣布 Chadwick 獲得該年的物理學獎,因此提昇了利物浦大學的聲譽。當時在劍橋時,拉塞福不讓他購買新發明的迴旋加速器,讓 Chadwick 頗為光火。當 Chadwick 一到利物浦馬上添購迴旋加速器,還用他的諾貝爾獎金幫忙支付不夠的款項呢。此外利物浦的醫學院與理學院之間有著緊密的合作。而Chadwick成為這兩所學院的委員。  Chadwick 預料迴旋加速器所生產的放射性同位素及中子,將會用於生化過程的研究,有可能成為對抗癌症的武器。這開啟了核子醫學的先河。利物浦的迴旋加速器於 1939 年 7 月安裝完成並開始運作。他則在 1938 年獲聘入由 Lord Derby 帶領的委員會,調查利物浦治療癌症的安排。但這時歐洲已經又戰雲密佈了。

隨著納粹德國的崛起,歐洲情勢日益緊張。Chadwick 顯然相當樂觀,他並不相信 1939 年英國會再與德國開戰,於是他把家人帶到瑞典北部一個偏僻的湖邊渡假。當九月一日,納粹德國入侵波蘭,英法對德宣戰,大戰又爆發的消息傳開時,他嚇壞了。Chadwick 可不想再一次在拘留營中渡過戰爭的歲月,所以他以最快的速度前往Stockholm ,但當他與家人到達時,所有連接Stockholm與倫敦的空中交通已被中止。他們一家最終總算有驚無險坐著貨船回到英國。關於 Chadwick 與拉塞福的眾弟子們在二戰時的故事,就留到下回分解了。

原文刊於《物理雙月刊》

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