质子和中子如何被发现?同位旋又是啥东西?

在同位旋空间中,质子和中子就是同一个粒子,只不过自旋取向不同而已,我们把质子旋转一下就变成了中子,把中子转一下就变成了质子。

这些工作都是在1906年之前完成的,那到了1911年卢瑟福就宣布发现了原子核,1913年,团队成员斯莱夫测量了原子核的核电荷数,发现原子核的核电荷数和它在元素周期表中的位置序数是一样的。

这时我们就知道了氢原子核有一个单位的核电荷数,那氦就有两个,一直到92号铀元素,它的核心有92个核电荷数。

而且我们根据相对原子质量这个概念,也能够看出来,原子的质量大约就是氢原子质量的整数倍,所以这个时候人们就猜测,原子的原子核是由氢原子核以及电子构成的。

比如,在氢原子里面,就只有一个氢原子核,所以它的单位电荷数是1,相对原子质量大约也是1,那氦原子里面就应该有四个氢原子核和两个电子,这样的话才能保证电子抵消两个单位的核电荷数,留下两个,而且还能保证氦原子的质量是氢原子质量的4倍。

这样想法还不错,在当时挺好用的,根据这个规则,可以一直排列到铀元素,铀的相对原子质量为238,原子序数为92,根据设想在它的核心里面应该会有146个电子。

这就是在1932年中子发现以前,人们对原子核结构的设想,而且在期间卢瑟福的一个发现,还多多少少验证了这个想法。

就在1917年的时候,卢瑟福就发现利用α粒子轰击一些轻原子核,可以导致轻原子的核发生分裂,它当时先观察到的现象是这样的,有一次他给一些金属的表面涂上了放射性镭元素,结果发现摆在附近的硫化锌荧光屏出现了闪光。

这你可能会想,这种现象有啥奇怪的,肯定镭元素释放的α粒子撞击了荧光屏,才导致了闪光。但事情可没这么简单,卢瑟福发现荧光屏摆放的位置超过了α粒子在空气中的飞行距离。

这说明打在荧光屏上的粒子不是α粒子,那是不是β粒子呢?这东西飞的距离可比α粒子远多了,加上电磁场一测就发现这种粒子是氢原子核,也就是我们现在所说的质子。

那质子又是怎么来的?卢瑟福为了确认氢原子核的来源,就重新设计了实验,他让α粒子经过氮气,结果发现α粒子可以把氮原子核中的一个质子给敲出来,卢瑟福一测,这就是氢原子核。

那么以上就是人类最早发现的核裂变,也是发现质子的过程,其实质子也不用发现,人们已经知道有这么个东西,就是氢原子核,就像我刚才说的,人们还用这个东西去构建其他原子核呢。

那卢瑟福的实验无非就是再次证实以前的观点,再加上人们在1906年发现的放射性衰变中β粒子,也是从原子核中射出来的,所以以上的证据都表明了,原子核是由质子和电子构成的。而且卢瑟福还在1920年的时候提出了中子的概念,认为他是质子和电子复合物,电中性相对原子质量是1。很明显这跟我们今天所说的中子是不一样的。

这样的想法一直持续了几十年的时间,到了1932年,人们就发现了一个无法解释的现象,才动摇地以上的想法, 促成了中子的发现。

这个发现也跟α粒子有关,在1930年的时候,物理学家博特和贝克尔就发现,用α粒子去轰击铍元素,它释放出来的射线比质子和电子的穿透能力强得太多了,而且不能被电磁偏转,所以他俩就猜测,根据以往的经验这一定是类似于γ射线的电磁波。

到了1932年,伊伦娜和约里奥-居里,这是居里夫人的女儿和女婿,他俩就用铍射线去轰击石蜡,石蜡是一种富氢物质,里面有很多氢原子,他俩就发现铍射线可以打出石蜡中的质子。

这一点并不奇怪,但是令他们惊讶的是铍射线打出来的质子的速度非常高,速度就意味着动能,动能就是能量,他俩一算,结果发现能量在这个过程中不守恒了,如果铍射线是电磁波的话,它与质子的碰撞就属于康普顿散射,根据质子的动能我们就能算出电磁波的能量,结果发现铍射线,也就是他俩认为的电磁波所携带的能量是产生它的α粒子所携带能量的10倍。得到这个结果以后,居里夫妇没有怀疑铍射线的本质问题,而是怀疑能量在微观层面可能不守恒了,让他们错过了一次重大的发现。

查德威克在知道这件事以后,就把这件事说给了卢瑟福,它当时在卢瑟福实验室工作,由于卢瑟福之前预言过中心复合粒子的存在,而且也从轻原子核中打出过质子,所以理所当然它就猜测α粒子从铍原子核中打出来可能就是这个中性复和粒子。

查德威克发现,铍射线与氢核、氦核、氮核发生相互作用以后,这些原子核有反冲现象,就像是两个台球之间的弹性碰撞一样,他们之间简单的交换了动能,这就更加确定了铍射线是中性质量流的想法。

接下来最重要的是,要如何确定这个中性粒子的一些性质?查德威克使用的方法是这样的,它先让铍射线去撞氢核,然后测量出氢核的反冲速度,大约为3.3×10^7米/秒,然后用相同的铍射线去撞氮核,氮核的反冲速度为4.7×10^6米/秒,氮核和氢核的相对原子质量之比大约是14。

从这个关系中,查德威克经过计算,测出来的铍射线的相对原子质量大约为1.16,跟老师之前预测的中性复合粒子的相对原子质量差不所,当然这个偏差还是比较大的,主要是他测量出来的反冲速度不准。

在1932年的2月份查德威克就公布了以上的发现,在论文中查德威克就称这种粒子为中子,但是在他的心里跟老师一样,也是认为中子是质子和电子的复合粒子,它没有质子基本。

但有一个办法可以证明中子到底是不是质子和电子的复合物,那就是爱因斯坦的质能关系,说的是,复和粒子的内能,或者是复合粒子的质量一定要小于它的组分的质量,意思就是说现在你有两个馍,你把他俩穿在一起,他俩的质量必定要小于两个馍的质量,如果大于或者等于的话,两个馍的结合是不稳定的,或者说很难结合在一起,因为系统总是倾向于跑到更低的能量状态。

那到了1934年查德威克和哥德哈伯,就用伽马射线撞开了一个氘核,得到了质子和中子,并且测量的中子的质量,稍微大于质子加电子的质量,所以中子并不是质子和电子的复合物,那有些人会说,是不是少个中微子,也不是的,虽然中子的衰变产物是质子、电子和中微子,但这不代表中子就是那三种东西构成的。

从这以后,人们就相信了,中子跟质子一样基本,但是接下来问题就更加难缠了,人类这时就思考了这样一个问题,中子不带电,不能抵消质子的静电斥力,那它在原子核里面有啥用?到底是什么力量在对抗着质子的静电斥力,把核子黏在一起的?

最早的时候也就是1932年,海森堡就发表了一篇论文试图解答这个问题,他认为质子和中子是通过交换电子,才被绑在了原子核里面。

在这个过程中一个中子会放出一个电子,变成质子,然后质子会吸收这个电子变成中子,在交换电荷的时候,也就交换了能量和动量,产生了交换力,从这个描述中可以看出海森堡依旧把中子看成了质子和电子的复合物,所以它的理论肯定是错的。

而且到了1936年的时候,物理学家莫尔·图夫、海登伯格、霍夫斯塔特在研究质子和质子之间的散射实验的时候就发现,质子和质子之间有着非常强的相互作用力,这种力所导致的碰撞截面明显要大于电磁力,所以这就说明,质子和质子之间的作用力并不是电磁力,而且这种作用力在质子与质子之间,以及质子和中子之间的强度是一样的。

所以最终的结论是,核力和电荷没有关系,而且核力对质子和中子,所表现出来的作用强度表明,质子和中子是一对孪生兄弟。

虽然这个结论否定了海森堡关于核力的猜想,但是却验证海森堡论文中的一个思想,质子和中子是同一种粒子的不同表现形式。

因为在海森堡的论文中,它提出了描述质子和中子不同表现形式的一种全新的量子数,同为旋,这是类比自旋的概念提出来的,我们知道粒子有自旋属性,它在空间中有三个取向,X 、Y、Z,在每个取向上有两种方向的投影,比如在Z轴上电子的自旋可以朝上和朝下,分别就是 1/2和-1/2。

海森堡为了区分质子和中子的两种不同状态,就抽象了一个同位旋空间,在同位旋空间中质子和中子的同位旋是1/2,他俩的不同在于,在同位旋空间的第三分量上,也就是I3,质子同位旋的投影,也就是取向为朝上,也就是 1/2,中子同位旋的取向为-1/2。

为了简单理解,我们可以直接认为质子和中子的同位旋空间就只可以取两个方向,向上和向下。就这么简单。

在同位旋空间中,质子和中子就是同一个粒子,只不过自旋取向不同而已,我们把质子旋转一下就变成了中子,把中子转一下就变成了质子。

这个同位旋的概念在强相互作用中非常重要,而且杨米尔斯规范场的创立也跟质子和中子的同位旋是有关联的,这个我们后面在讲基本粒子的作用力的时候会说到。

如果你还没有理解同位旋的概念的话,我再举个例子,你不要把同位旋想象成什么东西在旋转,物理学家有时在起名字的时候非常的抽象,因为很多东西它就是数学概念。

我们可以把同位旋类比成电荷,对电荷来说我们可以认为它有两个取值,而同位旋有两个取向,电荷在抽象的荷空间中可以取正和负,同位旋在抽象的同位旋空间中,可以两个方向,上和下。

现在理解了吧,后面的文章中我还会再提到同位旋的。那除了核力问题以外,还有一个问题,那既然中子里面没有电子,把β射线是从哪里发射出来的?

对于这个问题,1934年费米就提出了一个新的力,也就是我们现在说的弱力,对β放射性进行了简单的阐述,不过人类要想彻底驯服弱力,理解他是如何传递作用力的,还需要再等几十年的时间。

到了这个时候,人类好像掌握了一些东西 ,感觉马上要触摸到真理了,你看质子和中子都发现了,通过他俩可以解释所有的元素,再加上电子,好像也不再需要其他任何基本粒子了,我们的世界就可以构建起来。

剩下的工作当务之急就是解释核力和弱力,但是真实的情况是人类这才发现了粒子世界的冰山一角,那从下节课开始,你就会发现铺面而来的都是各种未知的,名字超级奇怪的粒子,数量非常多,我敢保证没有人能把这些粒子的名字都记住。

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