享誉世界的居里夫妻实验室 

 　　铀盐的天然放射性吸引了一大批年轻的物理学家，他们都想打开这个闷葫芦，给天然 放射性一个“说法”。

　　玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里是人们所熟悉的科学伟人。他们共同于1899年发现了元素钋，后来又发现了镭，从而奠定了放射化学的基础。他们为放射科学鞠躬尽瘁。

　　来自波兰的玛丽·居里此时刚刚大学毕业，正同丈夫法国物理学家比埃尔·居里一道从事放射性研究。他们在巴黎一间简陋的棚屋里，在落后的手工作坊条件下，钻研世界物理学最前沿的课题。

　　居里夫人研究的第一个思路是，看看有什么因素能够影响射线。她发现，热以及化学结合，甚至X光都不能影响铀的这种射线。第二步，她打算找出铀以外的哪些元素有这种射线。在试验过已知的每一种化学元素以后，她发现只有一种元素——钍是放出射线的。她把这种放出射线的能力叫作“放射性元素”。居里夫妇因发现钍及其化合物的天然放射性，与贝克勒尔共享1903年诺贝尔物理奖。

　　现在，居里夫人决定试验所有能搜集到的矿石的放射性，她设想只有包含铀或钍的矿石会显示出放射性，其他的不会。可是经过两年的不懈努力，他们发现：沥青铀矿和铜铀云母这两种矿石的放射性比比铀本身强得多！

　　这怎么可能呢？居里夫人绞尽脑汁，最后认为答案只有一个：这两种矿石中可能含有比铀的放射性更强的元素。于是，她下决心把它提取出来。然而，说起来容易，做起来难。首先要把沥青矿进行分解，然后进行无数次分离提纯，才有可能捕捉到新元素。这个工作真像大海捞针一般。为了找出这种元素，居里夫妇用极简陋的工具，采用化学方法，开始了极艰难的提炼工作。

　　当时居里夫妇生活贫困，财力不足，没有设备，没有助手，并且居里夫人还染上了肺结核病，但是他们不怕困难，向矿主要来了沥青铀矿的废矿渣，立即进行了提取实验。

　　居里夫人每次把20公斤废矿石在冶炼锅里熔化，连续几个小时不停地用一根铁棍搅动沸腾的材料，尔后加以过滤，将已知的元素逐步分离出来。

　　他们就这样苦干了1460个日日夜夜，经过上万次提炼，终于从30多吨的矿石残渣中，提炼出两种少量的新元素——镭和钋，而居里夫人却为此体重减了7斤。

　　居里夫人因发现了镭和钋两种元素，并确定了镭的性质，又获得了1911年诺贝尔化学奖。

　　居里夫人的美名从她发现镭那一刻起就流传于世，迄今已经百年。这是她用全部的青春、信念和生命换来的荣誉。她一生共得了10项奖金、16种奖章、107个名誉头衔，特别是两次诺贝尔奖。

 错失良机的小居里夫妇

 　　真正向中子的发现迈出第一步的是德国人博特和他的学生贝克。博特是世界一流的物理学家、量子论的开山鼻祖——普朗克为数不多的传人。他以渊博的学识和科学的完整性受到物理学界的一致好评。

　　1928年，博特和贝克用钋-a粒子轰击铍靶，目的在于进一步证实卢瑟福所观察到蜕变，弄清它们是否伴有高能 γ 射线的发射。他们使用电测计数法，发现了一种有穿透性的辐射。这种辐射的强度为其他元素正常辐射的10倍，他们把它解释为 γ 射线。

　　继而他们又观察了锂和硼的情况，发现所观察到的 γ 射线具有能量比入射的α粒子的能量还要大。这显然违背能量守恒定律。博特解释说，这个能量必定来自核蜕变。但是α粒子在作用时并不分解这些元素。当用α粒子轰击铍时，发现它虽然放射出非常强大的辐射，但却不放射出质子。

　　查德威克得知这一试验结果后，对铍的能量来源颇为困惑。一般说来，辐射的能量来自原子核，可是在这个实验中，并未放射出质子，难道放射出了中子？查德威克认为这种可能性很大。于是他带领学生做同样的试验。

　　居里夫人的女儿、女婿——小居里夫妇于1931年开始用超强的钋辐射源来研究博特的穿透辐射。1932年1月28日，他们报告到一项意想不到的重大观察结果：这种辐射能使石蜡层放出质子。他们用一个与静电计相连的电离室发现了这一事实，结果十分奇特，以致他们立即想到用云室来确认。2月22日，他们发表了第二次观察的结果，证实了这是质子。博特的穿透性γ射线竟然发射质子！

　　这件事简直不可思议！由轰击质子而引起自由粒子射出是著名的电子康普顿效应的一种形式。然而，在一般的康普顿效应中，反冲电子很轻（mc2=0 .51MeV），容易被反冲，但是质子的质量是电子质量的1836倍，并不那么容易被反冲。如果一颗弹子撞击另一颗弹子，这是容易发生反冲的，但是如果一颗弹子撞击一辆汽车，汽车就不应该有明显的移动。可是按照小居里夫妇对实验的解释，汽车也能被推走好远，这怎么可能呢？

　　查德威克将小居里的实验报告给了卢瑟福，卢瑟福不相信会有这种情况发生，他怀疑这种能量很大的γ辐射线可能是中子辐射。查德威克也有同感。他用铍辐射源轰击氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧，结果表明所有的实验都打出了质子；用从放射性元素钋中射出的大量粒子轰击轻金属铍的原子核，相互作用当中，喷射出不带电荷的粒子束，从而分离出了这种长期猜测的粒子。

　　当查德威克使这些粒子穿透含氢丰富的粗石蜡时，它们形成了巨大的能量，可轻易击破可辨认的质子。查德威克据此提出了假设：铍辐射不是γ辐射，而是一种质量与质子很接近的粒子的辐射。因为γ辐射是光子辐射，不可能从原子核中打出质子。为了解释这种辐射强大的穿透力，必须假设粒子没有净电荷。他假设它是卢瑟福在1920年讲演中所讨论的“中子”。查德威克后来做了一系列实验，证明他的假设是正确的。

　　查德威克发现了中子，不仅改变了当时人们的物质结构的概念，同时还为研究和变革原子核提供了一种有力的手段，促进了核裂变研究工作的发展和原子能的利用。 

 诺贝尔奖风波

 　　1932年2月17日，查德威克写了一封信寄给《自然》杂志，发表了这一结果。就这样，一项重大的发现从小居里夫妇手中溜走了。

　　查德威克的发现，可以很好地解释原子序数与原子量的差异：原子核是由质子和中子组成的，原子核中质子的数目等于原子序数，而质子和中子数目的总和叫做质量数（原子量），如两个质子和两个中子组成一个氦，氦的原子量为4；7个质子和7个中子组成一个氦核，氮的原子量为14。此外，这一发现使人们很容易理解同位素：原子序数相同，化学性质也相同，但是质量不同的原子，由于在元素周期表中占有同样的位置，故被称为同位素。这些同位素的质子相同，而中子不同。

　　由于中子同一个质子的质量相当，但不带电荷，它几乎不受核周围的“电子壳”的影响，核本身的电荷力也挡不住它。因此，它可以作为具有惊人穿透力的新的轰击核的炮弹。查德威克因为发现中子而获得1935年诺贝尔物理奖。

　　据传，在评选贝尔物理奖时，物理学大师们发生了争论。许多科学家认为，首先发现中子的是小居里夫妇，尽管他们不识“货”，他他们对发现中子做出了必不可少的贡献。即使诺贝尔物理奖不全给小居里夫妇，也应该与查德威克平分这一荣誉。但卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克，说是他完全应该得到它。

　　因为卢瑟福知道，查德威克为了找到中子整整花了12年的时间。人生能有多少个12年呢？当有人问及如何在小居里夫妇和查德威克之间摆平时，卢瑟福回答道：“发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克，至于约里奥夫妇嘛，他们是那样聪明，不久会因别的项目而得奖的。”

　　发现中子的诺贝尔奖到底应该给谁，我们姑且不议，但小居里夫妇犯了这样一个让他们后悔一生的错误（更确切地说是疏忽）也事出有因。据说在20年代初，有一次卢瑟福到法国去讲演，他在讲演中提到了存在一种同质子差不多一样重、但是不带电的中性粒子。当时小居里夫妇忙于自己的实验，没有去听卢瑟福的讲演。小居里还说：“吹牛皮的事，我不去听”。她以为这样讲演只是总结核物理的进展，不会有新东西。

　　结果，当他们真的看到中子辐射时，却想不到这就是中子。忽视学术交流、闭目塞听，使小居里夫妇与唾手可得的发现失之交臂。

　　从科学方法上来看，小居里夫妇也略逊一筹。虽然他们发现了穿透性很强的射线，也知道它在穿透性方面比γ射线强得多，却还是把它看作是γ射线，没有把它与γ射线的相异点进行比较。想异点的比较是着眼于事物之间同中有异的比较，通过这种比较，可以使人们认识到相似事物之间有着相异，从而确定它们是不同的事物。查德威克在重复小居里夫妇的实验时进行了相异比较，发现用这种新射线轰击原子核可以打击质子，而用γ射线无论如何做不到这一点，据此，查德威克断定他找到了中子。

　　同时代的物理学家对查德威克推崇备至。他们认为查德威克在中子一出现时，马上就清楚而令人信服地发现了它，表现出一位伟大的实验物理学实难能可贵的素质。因此，查德威克单独荣获发现中子的诺贝尔奖，并未引起同仁们的非议。

　　如果说放射性的发现标准着人类跨入了原子世界大门的话，中子的发现则是人类打开原子世界的第二道大门。因为这一发现不仅深化了人们对原子结构的认识，而且使原子核物理学有了划时代的进展，在对原子能的认识上具有决定性意义。