1932年，詹姆斯·查德威克用阿爾法粒子轟擊鈹時，發(fā)現(xiàn)了原子的新組成成分：中子。就這樣，原子核的秘密被揭開了：原子是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的原子核，以及繞著原子核運(yùn)動的核外電子組成的。
但接下來，我們要面對的是一個更具挑戰(zhàn)性的謎題。眾所周知，正電荷之間會互相排斥（畢竟，這是盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核的基礎(chǔ)），那么為什么原子核中帶正電的質(zhì)子不會飛離彼此呢？答案是，它們確實(shí)想飛離彼此。質(zhì)子“感受”到的來自原子核內(nèi)外的靜電力是相同的。它們停留在體積較小的原子核內(nèi)，這意味著 它們還受到另一種更強(qiáng)大的力的作用，這種力阻止它們離開原子核。考慮一下每種元素的質(zhì)量較大的成員，可以找到有關(guān)這種力的一條線索，這些成員被稱為“同位素”。原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同（這使它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)），而中子數(shù)不同（因此具有不同的質(zhì)量）的兩個原子互為同位素。氫元素的同位素中都含有一個質(zhì)子，并且含有0、1或2個中子。但是，氦或其他任何元素的同位素，都不能在擁有兩個或更多質(zhì)子的同時而沒有中子。這表明，原子核內(nèi)的中子對于使原子核保持穩(wěn)定的“強(qiáng)力”的形成，起到舉足輕重的作用（這里的“強(qiáng)力”就是我們在第5章中提到的“強(qiáng)力”）。
這種“強(qiáng)力”比電磁作用強(qiáng)多少呢？如果這種力比靜電力大10倍，將很難形成像硅（含有14個質(zhì)子）或者鈦（含有22個質(zhì)子）這樣的重元素。如果這種力比靜電力強(qiáng)1 000倍，那么我們可能會看到原子核中有幾百個質(zhì)子的元素，但我們沒有看到這種情況。地球上發(fā)現(xiàn)的最重的天然元素是有92個質(zhì)子的鈾，這表明這種能夠維持原子核穩(wěn)定的強(qiáng)吸引力，大約比質(zhì)子之間的靜電力強(qiáng)100倍。
可是，鈾也是不穩(wěn)定的，如果你等待足夠長的時間，所有的鈾都會經(jīng)過所謂的“放射性衰變”，轉(zhuǎn)變?yōu)樵恿枯^小的元素。鉛有82個質(zhì)子和125個中子，是不會衰變的原子量最大的元素，因此是穩(wěn)定的。你可以構(gòu)建更重的原子核，但如果質(zhì)子和中子搭建的“積木塔”過高（每多出一個質(zhì)子，就意味著要有更多的中子使它們聚在一起），輕微的擾動就會使塔倒塌。一旦發(fā)生這種情況，原子核將以高能光子（伽馬射線）或高速亞原子粒子（如電子、質(zhì)子或阿爾法粒子）的形式發(fā)出輻射，損失能量。如果某放射性原子核的半衰期為一年，那么假設(shè)開始時我有100萬個原子，一年后我大概會剩下50萬個原子。衰變速率與原子的年齡無關(guān)，在接下來的一年，余下的原子中又有50%將會發(fā)生衰變。也就是說，最開始的100萬個原子，到一年后將變成50萬個，兩年后變成25萬個，三年后變成12.5萬個，以此類推。
由于確知原子核的半衰期，我們可以用碳元素年代測定法去測量考古文物所屬的年代。假設(shè)開始時我們有100萬個不穩(wěn)定的碳同位素。普通的碳原子核內(nèi)有6個質(zhì)子和6個中子（相應(yīng)地，有6個電子處于量子力學(xué)“軌道”上），是一種已知的非常穩(wěn)定的元素。因?yàn)槠湓雍藘?nèi)有12個粒子，這種形式的碳也被稱為“碳12”。有時，宇宙射線與空氣中的氮原子發(fā)生碰撞會產(chǎn)生一種具有6個質(zhì)子和8個中子的碳的同位素。因?yàn)樗哂信c碳12相同的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)，這種更重的同位素的化學(xué)性質(zhì)與普通碳原子相同。然而，這種含有8個中子的碳原子（稱為“碳14”）是不穩(wěn)定的，會衰變?yōu)榈?4。
這種罕見的碳14由宇宙射線的隨機(jī)碰撞不斷地被制造出來，也不斷地衰變成另一種元素。世界上大約97%的碳是普通的碳12，3%的碳是更重且不穩(wěn)定的碳14。這一比率在我們吃的食物、穿的衣服以及幾乎所有含有碳原子的食物中都是相同的。因此，我們身體中約有3%的碳是不穩(wěn)定的碳14。碳14變?yōu)殁斣氐陌胨テ诖蠹s為5 700年。因此，在一般情況下，我們通過碳14在飲食中的隨機(jī)分布來攝取它，而且，當(dāng)我們代謝體內(nèi)的老舊細(xì)胞時，也會排出碳14。這個過程隨著我們生命的結(jié)束而停止（地球表面的宇宙射線通量很低，我們無須擔(dān)心尸體內(nèi)會產(chǎn)生碳14）。在死亡時，我們的身體、皮膚、組織和骨骼中的碳14含量維持在3%左右的水平。如果一位未來的考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了我們的骨骼，測量了碳14含量并發(fā)現(xiàn)它只是碳12含量的1.5%，那么她可以自信地宣稱我們大約死于5 700年前。如果碳14的含量是碳12的0.75%，表明已經(jīng)過了兩個半衰期，那么我們大約死于11 400年前。按照這種方法，任何包含有機(jī)物質(zhì)的材料，無論是古代的骨頭還是“都靈裹尸布”，都可以根據(jù)它的碳14含量來判斷它的年代。威拉德·利比利用陳年佳釀得到了關(guān)于氚衰變的全新結(jié)果，他也因發(fā)現(xiàn)了碳14年代測定法而獲得1960年的諾貝爾化學(xué)獎。中子提供的強(qiáng)力可以克服靜電力，把質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，從而使原子核保持穩(wěn)定。如果沒有中子，靜電力會促使質(zhì)子飛離原子核。質(zhì)子也表現(xiàn)出強(qiáng)力，但如果沒有中子，僅由質(zhì)子組成的原子核將難以保持穩(wěn)定。原子核外的中子本身并不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)室中一個單獨(dú)的中子會衰變成一個質(zhì)子和一個電子，其半衰期約為10.5分鐘。由此生成的電子的移動速度非常接近光速，如果這個過程發(fā)生在原子核內(nèi)部，就是不穩(wěn)定同位素發(fā)射貝塔射線的過程。
一個孤立體系的質(zhì)量和能量在任何過程中都必須保持不變，所以一個“靜止”的中子只能衰變成質(zhì)量小于中子的基本粒子。因此，一個中子會衰變成一個質(zhì)量稍小的質(zhì)子，而一個“靜止”的質(zhì)子則不能衰變成一個更重的中子。因?yàn)橹凶邮请娭行缘?，而質(zhì)子帶有正電荷，為了保證原子核衰變前后總電荷數(shù)保持不變（在物理學(xué)中，除了能量守恒定律和角動量守恒定律之外，還有一條我們前面未提及的原理，即“電荷守恒定律”。它也是自然界的普遍規(guī)律之一，因?yàn)殡姾稍谌魏芜^程中都不能被創(chuàng)造或消滅），在衰變過程中必須產(chǎn)生一個帶負(fù)電荷的電子。一個電子大約是一個質(zhì)子質(zhì)量的兩千分之一，小于中子和質(zhì)子間的質(zhì)量差，因增加一個電子仍然符合質(zhì)量守恒定律。盡管一個中子衰變成一個質(zhì)子和一個電子，意味著在衰變過程中質(zhì)量和電荷均守恒，但是測量質(zhì)子和高速電子（“貝塔射線”）的動能并和中子的剩余能量加總，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一些能量在衰變過程中消失了。雖然不是很多，但足以引起重視，并帶來麻煩。20世紀(jì)20年代末，當(dāng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并認(rèn)識到它似乎違反了能量守恒定律時，他們面臨兩個選擇：第一，放棄能量守恒定律，至少在中子衰變的問題上；第二，發(fā)明一種當(dāng)時的儀器測量不到，但能帶走“消失的能量”的神奇粒子。1930年，沃爾夫?qū)づ堇ㄗh物理學(xué)界選擇第二種。恩利克·費(fèi)米認(rèn)為，這種“幽靈粒子”必須呈電中性，且質(zhì)量很小或者為零，他將這種粒子命名為“小的中子”，或“中微子”。最終，人們建造了探測器來探測這種粒子，并于1956年證實(shí)了它們的存在。這些粒子不僅真實(shí)存在，而且是宇宙中最普遍的粒子。中微子與物質(zhì)間的相互作用是由僅為電磁作用力的一千億分之一的弱核力決定的。因此，中微子能夠輕易穿過普通物質(zhì)而幾乎不與之發(fā)生反應(yīng)（長度超過兩光年的鉛，才能阻擋住一個中微子）。如果你伸出大拇指，那么在1秒鐘內(nèi)將有超過100萬個中微子穿過你的指甲。
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