1920年6月,卢瑟福在贝克讲座上首次提到可能存在着一种中性的粒子。这种想法他早就有了,并认为这种中性粒子是一个质子和一个电子的紧密联合体。几个月以后,卢瑟福邀请我同他一起继续做氮原子的人工裂变实验,这些实验,他在曼彻斯特曾经做过。
他之所以邀请我,以及我之所以也十分高兴接受这一邀请,有几个原因。其一是我曾经对闪烁计数方法作过一些技术上改进,其二是我制作过一些较好的光学装置,而且我还具备这方面严格的训练。当然,在黑暗中计数是非常枯燥无味的事情,他需要一个人在黑暗中跟他谈谈话,打发时间,这也可以说是一个原因。
在等待开始计数的那些时间里,他常常向我详细地解释他对原子结构的一些看法,并特别提到,如果基本粒子只有质子和电子,要建立一个复杂的原子核模型将是很困难的,因此,他认为有必要假定原子核里有中子。他也坦率承认,这些想法大都是纯粹的猜测,而他讨厌毫无实验基础的臆测。除了私人文谈外,他很少提到这个猜测。我确实相信,在贝克讲座之后,只有一次他公开谈到他对中子作用的看法。尽管如此,他却从未放弃存在着中子的这种想法,而我也完全信服这一想法。此后的几年中,有时我们在一起做实验,有时我单独一个人做实验,希望能从原子核中找到中子存在的证据,以及中子的构成和中子的辐射。在这些尝试中,有几个实验是很值得一提的,我在下面将会提到它们;但另外有一些实验则几乎是属于蛮干,其盲目的程度,简直有点像炼金术士们的作法。
贝克讲座后不久,卢瑟福立即请J. L. 格拉松做一个通过氢气的放电实验,以期找到中子。不久,J. K. 罗伯茨也做了一个有些类似的实验。虽然卢瑟福并没有真正地期望能用这种方法找到中子,但还是用这种方法试了一下。这些实验所用的含氢物质的质量及电压,都非常小。
尽管氢具有明显的稳定性,但要把它们一律看成常态的氢,似乎也未尝不可。如果质子和电子的紧密结合成为可能,那也只能是自发产生的。这样组成的中子在宇宙射线作用下就会再度分裂。在卢瑟福的赞同下,我于1923年,试图利用电离宽和尖端式计数器来探测大块含氢物质中,中子形成时发射的Y射线。
几年以后,在1928年,盖革和穆勒发明了一种仪器,现在普遍称之为盖革计数器。这种计数器使发现γ射线的可能性大大增加。盖革非常友好地把自己的两台计数器及其说明书给了我。卢瑟福和我立即用这些新仪器重新对氢进行实验。我们用了一切可能的方法,希望能找到中子的踪迹。我们还用同样的方法,检测了一些稀有气体和任何能弄到手的稀有元素,以追踪有关中子的构成或者发射的任何迹象。我只是一般地提到这些实验,因为其中有些实验非常可笑。
用这种方法作了一些初步尝试之后,我开始认为,中子只有在强电场中才有形成或存在的可能性。那么,用高速质子打入原子核,尤其是那些原子序数较高的原子核(这些原子内有些电子被紧紧地限制在原子里),可能会找到中子。当时这个想法并不太明确。在我写给卢瑟福的一封信中谈到了它:“我想我们将要对中子作一次真正的研究,我相信,我有了一个行之有效的计划……。”这封信在伊夫的《生活》一书第301页中曾经摘引过。当时我认为要加速质子,至少应该有20万伏的电压。虽然卢瑟福对此有一些兴趣,但是没有合适的变压器,而且我们没有钱用于这个冒险计划,(我应该说明,当时卡文迪许实验室一年的经费只有2000磅左右。即令在当时,为完成必须的工作,这笔钱也远不够用,)我坚持我的想法大约有一两年的光景。在这一段时期里,在其他工作的间隙,我还试图在放电管中用特斯拉电压加速离子。但我所具有的设备是很不合适的,加之缺乏这方面实验的经验,我白白浪费了许多时间,不过我可没有浪费实验室的钱。
当我们用α粒子使轻元素发生裂变时,我们并没有忽略发射中子的可能性,特别是从那些不发射质子的元素来发射中子的可能性。我们让辐射通过磁场,然后注视那些不发生偏转的辐射所引起的模糊不清的闪烁,这种研究中子的方法,于1929年发表的一篇文章里曾经详细介绍过,但那已是做过实验后几年了。
我们对铍很有兴趣,其理由有二:一是在用α粒子轰击铍核时,它不发射质子;另外一个则是错误的,认为绿柱石矿里之所以含有大量氦,也许是由于铍核在宇宙射线作用之下,分裂成两个α粒子和一个中子的缘故。
在以后的几年中,这个问题一直反反复复地牵动着我的思绪。我用α粒子、β粒子和γ射线轰击铍,一般情形下,我都是用闪烁法来探测其效应的。那时,我所能使用的主要的辐射源,是以活泼的镭的产物。这种产物可以产生很强的γ射线,所以我多半用它来进行研究。在更早一些日子里,我曾试图设计一个方便的电学计数方法,但是我失败了。以后,格林拉切(Greinacher)改进了真空管放大方法,并且由W. 威廉斯(Williams)把它引进了卡文迪许实验室,正在这时,我恰好有一个钋源。这个钋源不大,但对我们也足够了。于是,我和康斯特布尔(Constable)、波拉德(Pollard)又一次研究铍。在短暂和令人激动的时间里,我们以为发现了中子的踪迹。但是,这种踪迹后来又消失了,我们仍然徘徊在黑暗之中。
韦伯斯特(W. C. Webster)在他的实验中首先发现了中子的迹象。他的实验是利用α粒子轰击铍,从而由铍激发出γ射线。几年来,我曾多次试图用α粒子轰击轻元素,以激发出γ射线。迫斯廷斯(L. H. Bastings)也曾经打算做这个实验,但是失败了,其失败的原因是钋源太微弱,而探测仪器和验电器又太不灵敏。当盖革计数器问世后,韦伯斯特继续做这个实验,开始效果甚微——而我仍然缺乏钋源。
后来,由当时尚在巴尔的摩的费瑟(Feather)博士好心的说情,以及凯利医院的伯拉姆(C. F. Burnam)博士和魏斯特(F. West)博士的慷慨相助,我缺乏钋源的情况才得以改善。首先是费瑟博士亲手交给我,然后是通过邮寄,他们给了我一些用过了的装有氡气的管子,这些管子里有着足量的镭D和它的产物钋。这些馈赠品不仅在当时,即使在以后,都具有极大价值。
在此同时,玻特(Bothe)和贝克(Becker)也在继续进行这一实验,并且首先发表了他们的结果。但韦伯斯特在观测中得到了一个最令人感兴趣的结果。他发现铍被α粒子轰击后,方向与α粒子入射方向相同的辐射线,其穿透力大大地强于反方向的辐射线,这个后来被证明是肯定无误的事实,使我十分激动,因为我们如果将辐射线看成是由粒子组成的话,从它们的穿透力来看,这些粒子应该就是中子,这样,上述实验结果就很容易解释。我还想到,中子的电离本领虽然很弱,但总会产生一些痕迹,所以我向他们建议,让辐射线穿过云雾室。使人沮丧的是,我们观察不到任何痕迹。我们感到非常迷惑,不知道如何解释这些观察结果。
这次几乎成功的失败,发生在1931年6月。事过不久,韦伯斯特离开了剑桥,到布里斯托尔去了。他走了以后,我决定再一次做这个实验,但是由于我的工作室要搬动,所以准备工作推迟了。不过,这次搬动也许是一件幸事。有一天早晨,我读到登在《报告汇编》上约里奥 - 居里(Joliot - Curie)夫妇的一篇文章,这篇文章报道了铍的辐射线的一个令人吃惊的特性:当被的辐射线穿过含氢物质时,它可以使含氢物质发射质子,这的确是一个异常令人吃惊的特性。过了一会儿,费瑟来到我的房间,告诉我这篇报道的事情。和我一样,他也非常惊讶。上午,我把这事告诉了卢瑟福。每天上午11点左右,我向他报告一些令人感兴趣的消息,并讨论实验室的工作,这已经是我们长期的习惯。当我讲完约里奥 - 居里的观测和他们对此的看法以后,我看见他越来越惊愕。最后,他突然大声喊叫:“我不相信!”这种不耐烦的表示,十分出人意外,在我与他长期交往中,还从未见过类似的情形。我提到这件事,是为了强调约里奥 - 居里夫妇报告所引起的强烈反应,当然,卢瑟福还是同意必须相信观测,至于解释那又是另一回事。
这件事恰好发生在我准备开始实验之时,而且我又从巴尔的摩得到了一个很好的钋源。我以十分虚心的态度,重新开始实验,不过我心中自然还是在想着中子。由于我以前不止一次探索过这个问题,所以我有足够的理由相信,约里奥 - 居里夫妇的观测结果,不能归结于一种康普顿效应。我还相信,这个观测结果中一定有一个崭新而令人吃惊的东西。经过几天费力的工作,结果充分表明,原来约里奥-居里夫妇所观测到的奇怪的效应,是由一种中性粒子所引起的,我甚至可以测出这粒子的质量. 1920年卢瑟福预言的中子,终于显示在人们面前了!
我相信,如果我在这故事的末尾加上一段附言,是不会引起误解的。经过长期寻找,终于成功地找到了中子。我的满意,我的高兴,是不言而喻的。的确,决定性的工作是由别人完成的,但这毕竟是十分正常的事情。知识的进步,通常总是很多人共同工作的结果,但我总认为我本应成功得更早一点。当然,我可以给自己找到很多借口——缺乏必要的设备,等等,但除去所有这些借口之外,我应该承认,如果仅靠我自己一人,我对中子的特性不会认识得足够深刻,尤其是那些足以证明其存在的特性。这是一种折磨人的想法。我只有这样安慰自己:任何一件事,无论在事后显示得多么明确,但对它说第一句话,比说最后一句话却要困难得多——这是一种十分平常的想法,或许这仍然是一个借口吧。