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中子的发现，使长期以来科学家们感到困惑的原子核组成问题迎刃而解。至于为什么是查德威克摘取了发现中子的“桂冠”，而其他科学家却与这一重大发现的机遇“失之交臂”，这就非常发人深思了。
原子核组成的困惑
19世纪末，由于电子和放射性元素的发现，长期以来被奉为金科玉律的道尔顿原子论——“元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可分割的原子”受到了严峻的挑战。1911年，新西兰物理学家卢瑟福通过进一步用α粒子“轰击”金箔的实验，确认“在原子中心有一个带阳电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量”。理论计算表明，金原子的半径为1.16×10-8厘米，而它的原子核的半径仅为3×10-12厘米（如果把原子比作一幢大厦，那么原子核只有一粒芝麻那么大），从而建立了原子结构的“行星式”（或称“小太阳系”）模型。虽然由于受时代的局限，这一模型尚有不够完善之处，但后被卢瑟福的学生玻尔运用量子力学理论加以丰富和发展，其基本构思经受了实践的检验，迄今仍被公认是正确的。
那么，原子核中带阳电荷的物质又是什么呢？
1919年，卢瑟福继续用α粒子做“炮弹”，去“轰击”氢、氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾等元素，结果表明都会打出一种高速的氢原子核。卢瑟福为其取名为“质子”。由于质子带有一个单位的阳电荷，因而人们很自然地认为，各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。但随之而来的问题是，一个氦原子核（也就是α粒子）带有2个单位阳电荷，这表明应该含有2个质子，但氦原子核的质量却是质子的4倍，所以就质量（原子量）而言，氦原子核中似乎应该有4个质子。
然而，根据卢瑟福的另一位学生莫斯莱的实验测定，一种元素在周期表上的原子序数应该与该原子核所带的阳电荷数相等。由于氦的原子序数为2，因而其原子核中只能含有2个质子（核外有2个电子，使氦原子在整体上保持中性）。
另外，由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子被“挤”在原子核中，它们应该是很难“和平共处”的。而实际上，除了普通氢元素以外，其他各种元素原子核的质量都比单个质子的质量大，从几倍直到200多倍不等。这表明它们中都含有不同数量的质子（根据原子序数的测定，在铀元素的原子核中含有的质子多达92个）。这又该怎样解释呢？于是，人们回过头来想起了居里夫人早在1913年就提出的一种原子核模型。
“质子-电子”模型的浮沉
居里夫人认为，原子核是由带阳电荷的质子和阴电荷的电子组成的。按照这种模型，普通氢元素原子核中只有一个质子，没有电子。氦的原子核中有4个质子和2个电子。由于这2个电子的阴电荷中和了2个质子的阳电荷，故氦原子核只显示出2个单位的阳电荷，即与元素周期表上的原子序数保持一致，又与核外电子数相等，使之整个原子保持中性。但其质量数（原子量）已经是4而不是2了。
居里夫人的模型不但解决了原子核质量数和所带阳电荷数之间的矛盾，而且由于实验表明放射性元素产生的β射线实质上就是从原子核中发出的高速电子流，因而原子核中有电子存在是完全可能的。这些电子还起着“胶水”的作用，把众多的带阳电荷的质子“粘”在一起，使它们之间不会互相排斥。
但是从1924年起，随着量子力学理论的建立，人们发现，如果原子核内确实有电子存在，整个原子的自旋、磁矩、能量等参数都与实测结果相距甚远，因而这种模型也就只能被“忍痛割爱”。于是一场新的探索开始了：原子核中是否还存在尚未被发现的其他粒子呢？
小居里夫妇和王淦昌的遗憾
1930年，德国有一位青年科学家叫贝特，他与他的合作者贝克尔重复了卢瑟福当年的实验。他们注意到，卢瑟福是通过硫化锌荧光屏出现闪光，判断发生了核反应的。他曾经用α粒子“轰击”过锂、铍、硼等元素，由于没有观察到闪光，因而认为它们并无核反应产生。事实上，除了α粒子和质子外，即使有其他射线或粒子产生，硫化锌荧光屏也不会出现闪光。因此，贝特和贝克尔决定采用一种新的仪器——盖革计数管代替硫化锌荧屏，果然计数管开始“计数”了。这就表明产生了卢瑟福没有发现的新射线，其中铍产生的射线强度最大。通过外加电场和磁场进行测量，他们发现这种射线不会发生偏转，这表示它不带电荷——既不是β射线，也不是α粒子或质子。射线通过2厘米厚的铅板时，强度只减弱了13%。根据当时的相关知识，贝特和贝克乐便认定这是一种新型的γ射线。
但是他们却忽略了一个至关重要的细节：当γ射线照射到物质上时，物质的密度就大，被吸收的能量也多，而这种新射线的性质却恰好相反。在没有深究“为什么”的情况下，两人就将实验结果在1931年瑞士苏黎世举行的一次物理学家聚会上，向同行们匆匆地作了通报。
1932年，法国居里夫人的女儿伊里·居里和女婿约里奥·居里，对贝特等人的实验进行了深入研究。他们让这种“铍射线”通过石蜡，结果产生了高速的质子。显然，这表明石蜡中的氢原子核被“轰”了出来。应该说，用γ射线效应是无法解释这种“反常”现象的。这是由于γ射线的静止质量为零，因而不具备将质子从原子核里打出去的动量。这好像一个乒乓球撞一辆汽车，汽车是根本不可能移动的一样。小居里夫妇已经面临一项重大发现，遗憾的是他们仍沿着贝特的错误思路，将这种“反常”推断为一种“高能γ射线”的“新”性质。
更令人感到惋惜的还有后来成为中国著名原子物理学家的王淦昌。1930年，年仅23岁的王淦昌正在柏林大学读研究生，导师是著名女物理学家、被爱因斯坦誉之为“天赋比居里夫人更高”的迈特纳。王淦昌怀疑贝特发现的、有那么强大贯穿能力的射线未必就是新的γ射线。他两次建议要做重复实验，并改用云雾室做探测器，以弄清它的本质，但都被他的导师婉言拒绝了。
1932年，当迈特纳读到下文要介绍的查德威克发现中子的论文之后，一天面对前来拜访的王淦昌，这位女物理学家当年曾“开导”自己心爱学生“你很聪明，但不要误入他人宅院”的那种笑容完全消失了，而是低着头，沮丧地说：“这是运气问题”。这一天，大概是迈特纳一生中感到最寒冷的一天。它不仅是由于柏林二月的残雪，更因为她固执己见，使师生两人痛失了发现中子的良机。
查德威克摘取发现中子的“桂冠”
1932年1月18日，小居里夫妇相关的实验结果和评论发表后，立即引起了英国物理学家查德威克的关注。他认为他的法国同行解释该实验中存在两个问题：一、质子散射频率与理论计算相差太大。二、“铍射线”强度如此之大，特别是他通过相关测定，由于其速度仅为光速的1/10，因而不可能是γ射线。更必须指出的是，早在1920年卢瑟福就提到过，在原子核中很可能还存在一种质量与质子相近的中性粒子，这样就解决了一种元素原子核的核电荷数与质量数不相等的矛盾。这种中性粒子是压缩的氢原子，即质子与电子紧密地联系在一起的“中性复合子”。
正是卢瑟福的这一设想，打开了查德威克的新思路。他将小居里夫妇实验报告中介绍的“铍射线”用云雾室探测。由于在探测中并没有产生γ射线应该具有的电磁波特性反应，因而他进一步排除了这种射线的可能。
实验结果表明，这是一种不带电的中性粒子，不但可以穿透很厚的铅板，而且有静止质量。查德威克除了像小居里夫妇做的实验那样，让“铍射线”轰击石蜡得到质子外，更让这种射线通过氮元素，“反冲”出其原子核。对比这两种原子核的运动速度，并根据动量和能量守恒原理，很容易求得这种中性粒子的质量数为1.16，接近质子的质量数。实验还在各种氢元素和气体中进行，从而证明了这种“核反冲”现象具有普遍性。
于是，他在1932年2月17日的权威刊物《自然》杂志上发表了题为《中子可能存在》的一封信，距离小居里夫妇公布的相关实验报告时间还不到一个月。
不久，查德威克又在《英国皇家学会通报》上以同名论文正式肯定了“中子的存在”。
中子的发现，使长期以来科学家们感到困惑的原子核组成问题迎刃而解。就在发现中子的1932年，德国的海森堡和前苏联的伊凡宁柯不约而同地分别独立提出了新的原子核模型。他们认为，原子核是由质子和中子组成的。除了普通的氢元素以外，其他各种元素的原子核中都含有不同数量的质子和中子。
比如，氧的原子核中含有8个质子和8个中子，所以其质量数为16而核电荷数为8。此外，这种新模型还合理地解释了同位素问题。所谓“同位素”，是指同一种元素的几种原子化学性质相同（处于周期表的同一位置上），但质量不同。比如普通的氢原子核中只有1个质子，写成1H，而作为核燃料的氘和氚，原子核中分别有1个和2个中子，就写成1H和1H（元素符号左下角标记为原子核内质子数，左上角标记是原子核内质子和中子数量之和）。氢的这三种同位素核电荷数都是1，区别在于中子数量的不同。
我们知道，同性电荷相斥。原子核内，质子之间的这种斥力同样存在。为了保持原子核的稳定，核内中子与质子必然要互相产生一种引力加以“平衡”。研究结果表明，这种引力是存在的，被称为“强相互作用力”，或简称“核力”。例如铀原子核有92个质子，相互之间的斥力比氢原子核内的斥力要大得多，因而必须加入更多的中子。 92U和92U就表示这两种铀的同位素原子核中分别有143个及146个中子。
读者一定会产生疑问：既然原子核中不可能存在电子，那么放射性元素的原子核中“放射”出的β射线——高速电子流又从何而来呢？
这个问题，当时确实使包括查德威克在内的科学家们都感到困惑，直到1950年通过实验才找到了答案。原来，原子核中质子数和中子数之间的比例必须“合理”才能保持稳定，而偏离这个比例就会形成不稳定的放射性核。如果这种原子核中中子过多，它就会“变”为质子，同时产生电子使电荷保持平衡。这个电子不可能待在原子核里，于是形成了β射线。这是后话。
还有一点要说明的是，查德威克发现的中子，是与质子一样从根本意义上独立存在的一种新的中性粒子，并不能简单地与卢瑟福预言的“中性复合子”相提并论。1935年年仅44岁、风华正茂的查德威克荣获诺贝尔物理学奖。如今70多年过去了，原子核物理这门学科无论在理论上还是在实际应用领域（如核电站、核武器、核医学等）都有了重大的进展。这一切，正如当年授奖委员会主席所说的那样，是与查德威克“发现并被实验证实了一块新的建造原子核和分子的基石，即所谓中子”分不开的。
所以，尽管现在已物是人非，查德威克的名字永垂科学发展史册。至于为什么是查德威克摘取了发现中子的“桂冠”，而其他科学家却与这一重大发现的机遇“失之交臂”，这就非常发人深思了。
原子核组成的困惑
19世纪末，由于电子和放射性元素的发现，长期以来被奉为金科玉律的道尔顿原子论——“元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可分割的原子”受到了严峻的挑战。1911年，新西兰物理学家卢瑟福通过进一步用α粒子“轰击”金箔的实验，确认“在原子中心有一个带阳电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量”。理论计算表明，金原子的半径为1.16×10-8厘米，而它的原子核的半径仅为3×10-12厘米（如果把原子比作一幢大厦，那么原子核只有一粒芝麻那么大），从而建立了原子结构的“行星式”（或称“小太阳系”）模型。虽然由于受时代的局限，这一模型尚有不够完善之处，但后被卢瑟福的学生玻尔运用量子力学理论加以丰富和发展，其基本构思经受了实践的检验，迄今仍被公认是正确的。
那么，原子核中带阳电荷的物质又是什么呢？
1919年，卢瑟福继续用α粒子做“炮弹”，去“轰击”氢、氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾等元素，结果表明都会打出一种高速的氢原子核。卢瑟福为其取名为“质子”。由于质子带有一个单位的阳电荷，因而人们很自然地认为，各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。但随之而来的问题是，一个氦原子核（也就是α粒子）带有2个单位阳电荷，这表明应该含有2个质子，但氦原子核的质量却是质子的4倍，所以就质量（原子量）而言，氦原子核中似乎应该有4个质子。
然而，根据卢瑟福的另一位学生莫斯莱的实验测定，一种元素在周期表上的原子序数应该与该原子核所带的阳电荷数相等。由于氦的原子序数为2，因而其原子核中只能含有2个质子（核外有2个电子，使氦原子在整体上保持中性）。
另外，由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子被“挤”在原子核中，它们应该是很难“和平共处”的。而实际上，除了普通氢元素以外，其他各种元素原子核的质量都比单个质子的质量大，从几倍直到200多倍不等。这表明它们中都含有不同数量的质子（根据原子序数的测定，在铀元素的原子核中含有的质子多达92个）。这又该怎样解释呢？于是，人们回过头来想起了居里夫人早在1913年就提出的一种原子核模型。
“质子-电子”模型的浮沉
居里夫人认为，原子核是由带阳电荷的质子和阴电荷的电子组成的。按照这种模型，普通氢元素原子核中只有一个质子，没有电子。氦的原子核中有4个质子和2个电子。由于这2个电子的阴电荷中和了2个质子的阳电荷，故氦原子核只显示出2个单位的阳电荷，即与元素周期表上的原子序数保持一致，又与核外电子数相等，使之整个原子保持中性。但其质量数（原子量）已经是4而不是2了。
居里夫人的模型不但解决了原子核质量数和所带阳电荷数之间的矛盾，而且由于实验表明放射性元素产生的β射线实质上就是从原子核中发出的高速电子流，因而原子核中有电子存在是完全可能的。这些电子还起着“胶水”的作用，把众多的带阳电荷的质子“粘”在一起，使它们之间不会互相排斥。
但是从1924年起，随着量子力学理论的建立，人们发现，如果原子核内确实有电子存在，整个原子的自旋、磁矩、能量等参数都与实测结果相距甚远，因而这种模型也就只能被“忍痛割爱”。于是一场新的探索开始了：原子核中是否还存在尚未被发现的其他粒子呢？
小居里夫妇和王淦昌的遗憾
1930年，德国有一位青年科学家叫贝特，他与他的合作者贝克尔重复了卢瑟福当年的实验。他们注意到，卢瑟福是通过硫化锌荧光屏出现闪光，判断发生了核反应的。他曾经用α粒子“轰击”过锂、铍、硼等元素，由于没有观察到闪光，因而认为它们并无核反应产生。事实上，除了α粒子和质子外，即使有其他射线或粒子产生，硫化锌荧光屏也不会出现闪光。因此，贝特和贝克尔决定采用一种新的仪器——盖革计数管代替硫化锌荧屏，果然计数管开始“计数”了。这就表明产生了卢瑟福没有发现的新射线，其中铍产生的射线强度最大。通过外加电场和磁场进行测量，他们发现这种射线不会发生偏转，这表示它不带电荷——既不是β射线，也不是α粒子或质子。射线通过2厘米厚的铅板时，强度只减弱了13%。根据当时的相关知识，贝特和贝克乐便认定这是一种新型的γ射线。
但是他们却忽略了一个至关重要的细节：当γ射线照射到物质上时，物质的密度就大，被吸收的能量也多，而这种新射线的性质却恰好相反。在没有深究“为什么”的情况下，两人就将实验结果在1931年瑞士苏黎世举行的一次物理学家聚会上，向同行们匆匆地作了通报。
1932年，法国居里夫人的女儿伊里·居里和女婿约里奥·居里，对贝特等人的实验进行了深入研究。他们让这种“铍射线”通过石蜡，结果产生了高速的质子。显然，这表明石蜡中的氢原子核被“轰”了出来。应该说，用γ射线效应是无法解释这种“反常”现象的。这是由于γ射线的静止质量为零，因而不具备将质子从原子核里打出去的动量。这好像一个乒乓球撞一辆汽车，汽车是根本不可能移动的一样。小居里夫妇已经面临一项重大发现，遗憾的是他们仍沿着贝特的错误思路，将这种“反常”推断为一种“高能γ射线”的“新”性质。
更令人感到惋惜的还有后来成为中国著名原子物理学家的王淦昌。1930年，年仅23岁的王淦昌正在柏林大学读研究生，导师是著名女物理学家、被爱因斯坦誉之为“天赋比居里夫人更高”的迈特纳。王淦昌怀疑贝特发现的、有那么强大贯穿能力的射线未必就是新的γ射线。他两次建议要做重复实验，并改用云雾室做探测器，以弄清它的本质，但都被他的导师婉言拒绝了。
1932年，当迈特纳读到下文要介绍的查德威克发现中子的论文之后，一天面对前来拜访的王淦昌，这位女物理学家当年曾“开导”自己心爱学生“你很聪明，但不要误入他人宅院”的那种笑容完全消失了，而是低着头，沮丧地说：“这是运气问题”。这一天，大概是迈特纳一生中感到最寒冷的一天。它不仅是由于柏林二月的残雪，更因为她固执己见，使师生两人痛失了发现中子的良机。
查德威克摘取发现中子的“桂冠”
1932年1月18日，小居里夫妇相关的实验结果和评论发表后，立即引起了英国物理学家查德威克的关注。他认为他的法国同行解释该实验中存在两个问题：一、质子散射频率与理论计算相差太大。二、“铍射线”强度如此之大，特别是他通过相关测定，由于其速度仅为光速的1/10，因而不可能是γ射线。更必须指出的是，早在1920年卢瑟福就提到过，在原子核中很可能还存在一种质量与质子相近的中性粒子，这样就解决了一种元素原子核的核电荷数与质量数不相等的矛盾。这种中性粒子是压缩的氢原子，即质子与电子紧密地联系在一起的“中性复合子”。
正是卢瑟福的这一设想，打开了查德威克的新思路。他将小居里夫妇实验报告中介绍的“铍射线”用云雾室探测。由于在探测中并没有产生γ射线应该具有的电磁波特性反应，因而他进一步排除了这种射线的可能。
实验结果表明，这是一种不带电的中性粒子，不但可以穿透很厚的铅板，而且有静止质量。查德威克除了像小居里夫妇做的实验那样，让“铍射线”轰击石蜡得到质子外，更让这种射线通过氮元素，“反冲”出其原子核。对比这两种原子核的运动速度，并根据动量和能量守恒原理，很容易求得这种中性粒子的质量数为1.16，接近质子的质量数。实验还在各种氢元素和气体中进行，从而证明了这种“核反冲”现象具有普遍性。
于是，他在1932年2月17日的权威刊物《自然》杂志上发表了题为《中子可能存在》的一封信，距离小居里夫妇公布的相关实验报告时间还不到一个月。
不久，查德威克又在《英国皇家学会通报》上以同名论文正式肯定了“中子的存在”。
中子的发现，使长期以来科学家们感到困惑的原子核组成问题迎刃而解。就在发现中子的1932年，德国的海森堡和前苏联的伊凡宁柯不约而同地分别独立提出了新的原子核模型。他们认为，原子核是由质子和中子组成的。除了普通的氢元素以外，其他各种元素的原子核中都含有不同数量的质子和中子。
比如，氧的原子核中含有8个质子和8个中子，所以其质量数为16而核电荷数为8。此外，这种新模型还合理地解释了同位素问题。所谓“同位素”，是指同一种元素的几种原子化学性质相同（处于周期表的同一位置上），但质量不同。比如普通的氢原子核中只有1个质子，写成1H，而作为核燃料的氘和氚，原子核中分别有1个和2个中子，就写成1H和1H（元素符号左下角标记为原子核内质子数，左上角标记是原子核内质子和中子数量之和）。氢的这三种同位素核电荷数都是1，区别在于中子数量的不同。
我们知道，同性电荷相斥。原子核内，质子之间的这种斥力同样存在。为了保持原子核的稳定，核内中子与质子必然要互相产生一种引力加以“平衡”。研究结果表明，这种引力是存在的，被称为“强相互作用力”，或简称“核力”。例如铀原子核有92个质子，相互之间的斥力比氢原子核内的斥力要大得多，因而必须加入更多的中子。 92U和92U就表示这两种铀的同位素原子核中分别有143个及146个中子。
读者一定会产生疑问：既然原子核中不可能存在电子，那么放射性元素的原子核中“放射”出的β射线——高速电子流又从何而来呢？
这个问题，当时确实使包括查德威克在内的科学家们都感到困惑，直到1950年通过实验才找到了答案。原来，原子核中质子数和中子数之间的比例必须“合理”才能保持稳定，而偏离这个比例就会形成不稳定的放射性核。如果这种原子核中中子过多，它就会“变”为质子，同时产生电子使电荷保持平衡。这个电子不可能待在原子核里，于是形成了β射线。这是后话。
还有一点要说明的是，查德威克发现的中子，是与质子一样从根本意义上独立存在的一种新的中性粒子，并不能简单地与卢瑟福预言的“中性复合子”相提并论。1935年年仅44岁、风华正茂的查德威克荣获诺贝尔物理学奖。如今70多年过去了，原子核物理这门学科无论在理论上还是在实际应用领域（如核电站、核武器、核医学等）都有了重大的进展。这一切，正如当年授奖委员会主席所说的那样，是与查德威克“发现并被实验证实了一块新的建造原子核和分子的基石，即所谓中子”分不开的。
所以，尽管现在已物是人非，查德威克的名字永垂科学发展史册。至于为什么是查德威克摘取了发现中子的“桂冠”，而其他科学家却与这一重大发现的机遇“失之交臂”，这就非常发人深思了。