詹姆斯·查德威克（1935年诺贝尔物理学奖得主）
詹姆斯·查德威克（1935年诺贝尔物理学奖得主）
| 中文名 | 詹姆斯·查德威克（Sir James Chadwick） |
|---|---|
| 出生 | 1891年10月20日 英国柴郡博灵顿 |
| 逝世 | 1974年7月24日（82岁） 英国剑桥 |
| 国籍 | 英国 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1935年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 因发现中子 |
生平
詹姆斯·查德威克1891年10月20日出生于英国柴郡博灵顿的一个普通家庭。父亲约翰·约瑟夫·查德威克经营一家棉纺厂，母亲安妮·玛丽·诺尔斯是全职主妇。查德威克1908年进入曼彻斯特大学学习物理学，师从欧内斯特·卢瑟福。1911年以一等荣誉学位毕业，1913年在卢瑟福指导下获硕士学位。同年获得奖学金赴柏林夏洛腾堡工业大学，在汉斯·盖革指导下研究放射性。第一次世界大战爆发后，他作为敌国侨民被拘禁在柏林附近的鲁赫本战俘营四年。战后返回英国，随卢瑟福来到剑桥大学卡文迪许实验室。1923年任卡文迪许实验室副主任，1935年任利物浦大学物理学教授。1948年退休后担任剑桥大学冈维尔与凯斯学院院长。1974年7月24日在剑桥逝世。
学术生涯
查德威克的学术生涯与卢瑟福紧密相连。1914年，他跟随卢瑟福在曼彻斯特研究放射性。一战后，他在卡文迪许实验室协助卢瑟福设计了多项关键实验。
查德威克最伟大的成就是中子的发现。1930年，德国物理学家博特和贝克尔发现用α粒子轰击轻元素铍时，产生了一种穿透力极强的辐射，他们认为是高能γ射线。1932年1月，法国的约里奥-居里夫妇重复了实验，发现这种辐射能够将石蜡中的质子打出来。他们仍将这种辐射解释为γ射线的康普顿散射。
查德威克读到约里奥-居里夫妇的报告后，立即意识到他们的解释有问题。他迅速重复了实验，用α粒子轰击铍靶，并用一套精巧的测量装置（电离室和云室）研究了这种神秘辐射的性质。他发现：
这种辐射的穿透力与γ射线理论不符——如果按康普顿散射计算产生观察到的质子反冲所需的γ射线能量，远高于从核反应可得的能量。查德威克由此得出结论：这种辐射不是γ射线，而是一种质量与质子相近但电中性的新粒子。他称这种粒子为"中子"。
查德威克用云室直接测量了中子轰击氮气时产生的氮反冲核能量，结合质子的反冲能量，精确计算出了中子的质量与质子几乎相同（实际上略大一点）。他用多种气体和探测器系统地测量了反冲核的能量，确认了中子的存在。这一发现发表于1932年2月27日的《自然》杂志，题为《中子的可能存在》，随后补充发表于《皇家学会会刊》。
中子的发现迅速改变了核物理的面貌。查德威克紧接着与同事梅·戈德哈伯合作，首次测量了中子的质量和研究了中子与原子核的散射，为后续核反应研究奠定了基础。
获奖成就
1935年，瑞典皇家科学院授予查德威克诺贝尔物理学奖，"因发现中子"。这一发现距他的论文发表仅三年，是诺贝尔奖历史上实验验证与颁奖间隔最短的案例之一，充分说明了其发现的巨大影响。
历史贡献
中子的发现堪称20世纪最重要的科学突破之一，其影响体现在以下方面。
第一，完成原子核的组成图像。卢瑟福1911年提出原子核由质子组成，但因为原子量远大于原子序数，必须有额外的质量来源。1920年卢瑟福即预言存在中性粒子（中子），查德威克的发现确认了原子核由质子和中子共同组成，完满解决了原子量和同位素之谜。
第二，打开核能利用的大门。中子不带电，可以自由穿透原子核外的库仑势垒，成为轰击原子核的理想"炮弹"。费米在查德威克发现中子后立即利用中子轰击各种元素进行核反应研究，发现了慢中子诱发的核反应，并最终导致了1938年核裂变的发现。没有中子，核能就无法释放——正是中子的发现使原子弹和核电站成为可能。
第三，为核武器和核能的研发提供科学基础。查德威克本人后来深度参与了英国核武器计划（管合金计划）和美英联合曼哈顿计划。1941年，他撰写了一份关于制造原子弹可行性的重要报告，直接推动了英国核武器项目的启动。1943年，他率英国科学家小组赴美参与曼哈顿计划。
第四，中子在材料科学中的广泛应用。中子衍射技术利用热中子的波动性研究物质微观结构，与X射线衍射互补，特别适合测定轻原子位置和磁性结构。
轶事典故
中子的发现过程在物理学史上是著名的"差点错过"案例。1932年1月，约里奥-居里夫妇实际上已经得到了中子存在的证据——他们观察到铍辐射可以从石蜡中打出质子——却将其误认为γ射线效应。当查德威克看到他们的论文时，他立即告诉卢瑟福："我觉得这个解释不对，那不是γ射线。"随后他仅用了十天就完成了关键的验证实验。约里奥-居里后来惋惜地说："我们到了发现中子的门槛，却没有迈过去——门已经半开，关上的太急了。"
查德威克在柏林被拘禁四年（1914-1918）期间并非完全无所作为。他利用鲁赫本战俘营的条件，说服德军允许他建立了一个小型实验室，用从盖革那里获得的放射性材料继续研究辐射发光现象。这段经历锻炼了他逆境中的坚韧性格。
查德威克后来被英国国王授予爵士头衔（1945年），以表彰他在科学和战争中为英国所作的巨大贡献。
发现中子后，查德威克本可以继续在剑桥工作，但他1935年主动选择去利物浦大学开辟新的核物理研究中心。在利物浦建立了英国的第一个回旋加速器，培养了大批核物理人才，为英国战后的核物理发展奠定了坚实基础。
参考文献
1. Chadwick, J. (1932). Possible Existence of a Neutron. Nature, 129(3252), 312. 2. Chadwick, J. (1932). The Existence of a Neutron. Proceedings of the Royal Society of London A, 136(830), 692-708. 3. Brown, A. (1997). The Neutron and the Bomb: A Biography of Sir James Chadwick. Oxford: Oxford University Press. 4. Nobel Foundation. (1935). The Nobel Prize in Physics 1935: James Chadwick. 5. 王正行，《原子核物理导论》，北京大学出版社，2010年。