中子发现的前夜
任何新事物的诞生都是有背景、有原因的，中子的发现也是一样，它是历史发展的必然产物，也是应运而生的新事物。我们已经知道了卢瑟福在大量的实验事实的基础上提出了原子有核结构的模型：原子有核，核外有电子；核电荷数与核外电子的电荷数相等；电子就像太阳系的行星那样沿着各自的轨道绕核旋转。所以，卢瑟福的原子有核模型也称为“行星模型”。
对于这个“行星模型”，大家都非常关心的一个问题是：原子核电荷有多少？它和核外电子数有什么关系？
1911年，英国的物理学家C.G.巴克拉在实验时注意到各种不同原子所发射的X射线，在穿透物质时，其穿透力不相同的物理现象。后来，巴克拉把它叫做元素的“特征X射线”。1913年，英国的物理学家H.莫塞莱对X射线与各种原子的作用作了深入的研究，并取得了出色的成果。莫塞莱准确地测出了各种原子的特征X射线，同时他还发现：原子量越大的原子，它的特征X射线的波长就越短，这种情况形成了一个很明显的规律，以至可以按照各种元素的特征X射线的波长大小，给出元素的排列顺序。莫塞莱还建议：按照特征X射线的波长由大到小的顺序来确定原子序数。他还断定，原子序数就是该元素的核电荷数。根据莫塞莱的这种排列顺序，在当时的元素周期表中至少还有七个空位，它们的原子序数分别是43（锝）、61（钷）、72（铪）、75（铼）、85（砹）、87（钫）、91（镤）。果然，到1946年止，这些元素都被陆续地发现了。
1916年，德国化学家科塞尔正式把原子序数引入元素周期表，并以它代替门捷列夫的原子量。这种排列，显示出元素的物理性质和化学性质随原子序数的增加而周期地变化，也就是元素的物理性质和化学性质随着核电荷数的增大呈现周期性的变化。这一发现，引起了人们的极大兴趣，它还导致了许多自然科学家对原子核结构的探讨和猜想。
对原子核结构最早提出设想的是居里夫人，即玛丽·居里。她在一次会议上曾提出过：原子核应由带正电的粒子和电子所构成的。居里夫人的设想在当时得到许多物理学家的支持，因为它能解释放射性物质既能放出α粒子，又能放出β射线的事实。可是，当时更多的物理学家对原子核的电荷发生浓厚的兴趣，他们想：原子核中的电荷是什么东西？原子核到底是由什么组成的？
要想揭示原子核究竟是由什么组成的，就必须将原子核打破，看看会产生什么。1917年，卢瑟福第一次成功地实现了核裂变，当时他还在曼彻斯特大学。有一天召开战争研究委员会会议，卢瑟福迟迟不到，等他到了会场后，他解释说：“我是在进行表明原子能够人为裂变的实验。如果实验能成功，这可远比一场战争要重要得多！”
还是在很早的时候，卢瑟福就注意到，涂覆有α发射体镭的衰变物的金属源，总是产生一些能使硫化锌荧光屏闪光的粒子，这些粒子所穿行的距离超过α粒子在空气中的穿行距离。卢瑟福在磁场中研究了这一现象，发现造成闪烁的这些粒子是氢的原子核，也就是我们今天所说的质子。可是，这些质子是偶然出现于金属源上的氢原子受α粒子碰撞而产生的反冲核，还是从比氢更重的元素中打出来的呢？一定要搞个清楚！
卢瑟福将一个镭放射源放入一个抽成真空的金属盒内，盒上的小孔用一块非常薄的银板覆盖。银板会让α粒子逸出并打到硫化锌板上，也能防止空气进入盒中。卢瑟福在银板和硫化锌屏之间放置了各种金属箔，或让各种气体进入金属盒，在这些不同的情况下，观察闪烁次数的变化。结果，他发现，在大多数的情况下，闪烁率与金属箔或气体的阻止能力成比例地减小。然而当把干燥的空气注入金属盒，闪烁率却猛增！卢瑟福用组成空气的氧、氮等重复这一实验，最后得出结论，闪烁效应是由于镭放射源发射的α粒子与空气中的氮原子核发生相互碰撞所造成的。
卢瑟福的发现是氮原子核的裂变过程，在这一过程中，一个α粒子撞入氮原子核，并打出一个质子。就这样，α粒子打碎了氮的原子核，实现了原子核的人工裂变。但遗憾的是，发现由氮核打出的质子，以及长期观察到的原子核作为β射线发射电子的现象，只是有利于证实原子核由质子和电子构成的一般观点。实现原子核的人工裂变，这是个令人鼓舞的发现，在这种喜庆的氛围下，当时的物理学界接受了原子核结构的“质子—电子”模型。
中子的假说
伟大的实验物理学家卢瑟福在大量的实验基础上，预言性地推断了几种原子核的结构模型。有关原子核中存在中性粒子的第一个假说是他于1920年6月3日在英国皇家学会举行的贝克里安讲座的著名报告中，以丰富的想像力提出的，他说：“在某些情况下，也许由一个电子与质子更加紧密地结合在一起，组成一个中性复合粒，要解释重元素的组成，这种单独的中性粒子的存在看来几乎是必要的。”这就是他的新原子核模型之一——“中子”，它的原子量为1，电荷为零，他仍然将这种“中子”描绘成一个质子和电子的合成体。当时任何人都完全不清楚，为什么一个原子中有些电子会被束缚在原子核内，而其他电子却在核外大得多的轨道上旋转。
同年的圣诞节，卢瑟福在给少年儿童讲科普知识时，再次说：既然原子中有带负电的电子，有带正电的质子，为什么不能有不带电的中性粒子呢？当时人们认为卢瑟福提出的假说很有道理，并把他所提到了“中性粒子”称为“中子”。当时，卢瑟福的学生和同事们深信他的预言是科学的预言，于是便开始了一场轰轰烈烈的寻找中子的实验。1921年卡文迪许实验室的两名研究人员格拉森和罗伯兹做了一系列的实验，希望能在氢放电管中探测这种中性粒子的生成，但都没有获得成功。1923年，查德威克用盖革发明的点计数器进行实验也没有效果。1924年，查德威克认为用20万伏电压来加速质子，将这种高速的质子打入原子，也许能找到一些证据，于是他带领实验室的其他研究员，开始筹备实验，他们东拼西凑，遗憾的是，无论怎样，他们也没有力量建成这样大规模的高电压装置，只能用忒斯拉线圈产生高压，而这样得到的质子速度远不能满足需要。就这样，查德威克等人又采用不同的方法激励放电管，用放射性物质的衰变，用α粒子产生的人工裂变，但是依旧没能找到通向新领域的突破点。
错失良机
1929年，卢瑟福和查德威克撰文讨论了寻找中子的可能方案。他们对元素铍特别感兴趣，因为铍在α粒子的轰击下是不发射质子的，他们根据铍矿往往含有大量氦的事实，猜测铍核在辐射的作用下，也许会分裂成为两个α粒子和一个中子。
正当查德威克准备好了铍源和实验用的放大线路时，德国人波特比他们更早地发表了用钋α射线轰击铍的实验结果。波特是盖革的合作者，他曾帮助盖革改进计数器，并有效地用之于探测微观粒子。1928年起，波特和他的学生贝克尔利用钋源发射的α粒子轰击一系列轻元素，在众多的轰击对象中，发现有一种元素有特殊的性能，这种元素就是铍。他们用钋源的α粒子轰击铍靶，原想打出质子，但未发现质子，却发现一种穿透力很强的中性辐射，它能穿过铅板，被计数管记录下来，他们断言这是γ射线，他们不仅用吸收法，而且用符合法测量了这一中性辐射的能量，它的能量要比用来轰击的α粒子所带的能量还大，比当时所知道的任何元素放出的γ射线的能量都要高。他们的测量历时两年，多次反复地进行实验，实验结果完全相同。1930年，他们发表了这一实验结果。
现在我们知道，虽然利用α粒子轰击铍是一个产生中子的反应，但是由于受到实验条件的限制，当时他们所用的计数管对中子无反应，而且α源很弱，因而他们错过了观测中子的机会。
查德威克对波特等人的研究结果感到很意外，就让他的实习学生，一个叫韦伯斯特的澳大利亚人去进行研究，在实验中他们得出了这种中性辐射的许多奇特性质。查德威克认为，这些性质使他很感兴趣，他想这种辐射就是中子，这是坚定不移的事实。于是他叫韦伯斯特换用云室来进行观察，结果他们没有看到什么新现象。其实，原因就在于α源太弱，也还可能在实验安排上有不尽妥善之处，韦伯斯特没有发现中子的存在，毕业之后，就离开了卡文迪许实验室。
在巴黎，约里奥·居里夫妇也正在进行类似的实验，波特的结果发表后不久，很快就得到了证实。居里夫妇用的放射源特别强，他们用这样强的α放射源重复波特和贝克尔的实验，发现铍中性辐射的穿透力超过他们原先的估计。他们为了进一步检验辐射的性质，他们将石蜡放在铍和游离室之间，出乎意料之外，发现计数激增，而且用磁场可以使石蜡送出的辐射产生微小偏转。经过研究，他们断定石蜡发出的射线是质子流，而且是一种速度很高的质子流。然而，约里奥·居里夫妇和波特一样，误把铍辐射看成是γ射线。囿于传统观念，他们未能凭自己的实验结果得出中子存在的结论，结果错过了发现中子的良机，只能给别人以启发。
波特和约里奥·居里已经遇到了中子，遗憾的是他们没有作出正确的解释。其实，他们都没有注意到卢瑟福关于原子中可能存在“中性粒子”的假说，由于缺乏这种思想准备，致使在实验中探测到中子，却不能认识它，因而失去了发现中子的优先权。然而，他们的卓越实验却为中子的发现迈出了真正的一步。
查德威克和中子
当查德威克从法国物理杂志《科学报告》中读到约里奥·居里夫妇所发表的文章时，他立即抓住了要害，他把约里奥·居里夫妇的看法告诉了卢瑟福，卢瑟福当即回答到：“我不相信！”他和查德威克都不相信γ射线能有这样大的能量能够把氢原子（即质子）撞击出来，他俩一致认为，这种中性辐射很可能就是中子。
查德威克认为居里夫妇对中性辐射的解释存在着两个严重的困难。第一，他们在实验中观察到的质子散射的频率比用计算电子散射公式计算出的结果大出了数千倍。这说明，被轰击出来的物质的能量远远大于常用的γ射线所具有的能量。第二，从铍核与一个动能为5×106电子伏特的α粒子的相互作用中，很难甚至是不可能产生一个50×106电子伏特的粒子，而实验事实却是如此，所以，这样一个解释工作非常困难。
接着，查德威克在卢瑟福的指点下，满腔热情地重复了约里奥·居里夫妇的工作。他要彻底搞清楚这种特殊辐射的性质。查德威克将铍射线射向除石蜡之外的各种其他材料。他很快就发现，当铍射线与氢之外的其他原子核碰撞时，也会产生反冲，但反冲速度却比氢小很多。这个反冲速度和反冲原子核的原子量有关，它随着原子量的增大而减小。这个实验结果非常喜人，因为，这正好是如果铍辐射不是电磁辐射而是一种质量接近质子的粒子所应预期的图像。这就使得查德威克越发他相信铍射线不是那种电磁辐射所产生的一般的γ射线。但是，遗憾的是，查德威克从准确的实验数据中只得出了射线的质量接近于质子的质量这一结论。于是，进一步的实验还是不可缺少的。
铍辐射的性质是用真空管计数器的方法来检验的。真空管就是电子管，真空计数器就是一个电子探测器——在这里就是与电子放大器连接的电离室，简单地说，它是由一个连接到电子管放大器上的小电离室构成的。当一个电离粒子进入电离室后，就会使室内突然产生离子，这种产生大量离子的电离现象可以由连接在放大器输出电路上的示波器探测出来。示波器的偏转情况用照相方法记录在印相纸上。
钋源是用镭的溶液沉淀在一块银圆盘上制备成的，盘的直径为1厘米，放在直径为2厘米的纯铍圆盘近旁，然后一起密封起来，放入一个能被抽成真空的小容器中。查德威克使用的第一个电离室有一个1.3厘米的开口，上边覆盖一块具有一定阻止本领的铝箔，深度为1.5厘米。当把源容器放在电离室前面时，从示波器上可以探测到，偏转粒子数立即增加。当铍与计数器距离为3厘米时，偏转数接近每分钟4次。查德威克把厚金属片——甚至厚达2厘米的铅插入源容器和计数器之间时，示波器上的偏转数仍然明显地保持原水平，不见任何减少。这些偏转显然是由铍发射的穿透性辐射所造成的。
当查德威克将厚铅片去掉而将一片大约2毫米厚的石蜡插在计数器前面的辐射通路上时，示波器上记录的偏转数出现了明显的增加。这一增加是由于从石蜡中被打出的粒子进入了计数器造成的。
