>> Открытие нейтрона
§ 103 ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
Важнейшим этапом в развитии физики атомного ядра было открытие нейтрона в 1932 г.
Искусственное превращение атомных ядер. Впервые в истории человечества искусственное превращение ядер осуществил Резерфорд в 1919 г. Это было уже не случайное открытие.
Так как ядро весьма устойчиво, и ни высокие температуры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызывают превращения элементов и не влияют на скорость радиоактивного распада, то Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящими носителями большой энергии в то время были а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде.
Первым ядром, подвергшимся искусственному преобразованию, было ядро атома азота . Бомбардируя азот -частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов - ядер атома водорода.
В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций 1 , и их результаты не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна -частица на каждые 50 000 -частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром азота, что и приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода :
На рисунке 13.9 показана одна из фотографий этого процесса. Слева видна характерная «вилка» - разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий - протону. Остальные -частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны. Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием -частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов, находящихся в конце периодической системы, не испытывали превращений. Очевидно, из-за большого электрического (положительного) заряда -частица не могла приблизиться к ядру вплотную.
1 Сцинтилляция - вспышка происходящая при попадании частиц на поверхность, покрытую слоем специального веществаа, например слоем сульфида цинка.
Жолио-Кюри Фредерик (1900-1958) - французский ученый и прогрессивный общественный деятель. Совместно с женой Ирен открыл в 1934 г. искусственную радиоактивность. Большое значение для открытия нейтронов имели работы супругов Кюри по исследованию излучения бериллия под действием -частиц. С сотрудниками в 1939 г. впервые определил среднее число нейтронов, вылетающих при делении ядра атома урана, и показал принципиальную возможность цепной ядерной реакции с освобождением энергии .
Открытие нейтрона. В 1932 г. произошло важнейшее для всей ядерной физики событие: учеником Резерфорда английским физиком Д. Чедвиком был открыт нейтрон.
При бомбардировке бериллия -частицами протоны не появлялись. Но обнаружилось какое-то сильно проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как свинцовая пластина толщиной 10-20 см. Было сделано предположение, что это -лучи большой энергии.
Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения, образующегося при бомбардировке бериллия -частицами, поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличивается. Они справедливо предположили, что излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в таком водородсодержащем веществе. С помощью камеры Вильсона (схема опыта приведена на рисунке 13.10) супруги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. По их данным, если протоны ускорялись в результате столкновения с -квантами, то энергия этих квантов должна была быть огромной -около 55 МэВ.
Чедвик наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота , испытавших столкновение с бериллиевым излучением. По его оценке, энергия -квантов, способных сообщать ядрам азота скорость , которая обнаруживалась в этих наблюдениях, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные лее наблюдения в камере Вильсона треков ядер аргона привезли к выводу, что энергия этих гипотетических -квантов должна составлять 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с безмассовыми частицами, исследователи пришли к явному противоречию: одни и те же -кванты обладали различной энергией.
Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием -квантов, т. е. безмассовых частиц, несостоятельно. Из бериллия под действием -частиц вылетают какие-то достаточно тяжелые частицы. Ведь только при столкновении с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась на опыте. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию.
Новая частица была названа нейтроном. Существование ее предсказывал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика. По энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с нейтронами, была определена масса этих новых частиц. Она оказалась чуть больше массы протона - 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. Было установлено в итоге, что при попадании -частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:
Здесь - символ нейтрона; его заряд равен нулю, а относительная масса - примерно единице».
Нейтрон - нестабильная частица: свбодный нейтрон за время около 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино - безмассовую нейтральную частицу.
Элементарная частица - нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы.
Объясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота - только ее часть.
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Календарно-тематическое планирование по физике, видео по физике онлайн , Физика и астрономия в школе скачать
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиОписание видеоурока
Атом состоит из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят нуклоны двух видов - это протоны и нейтроны. В 1919 году Резерфорд, изучая физику атомного ядра, первым в истории человечества осуществил искусственное превращение ядер, что и послужило толчком для новых открытий. Он предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия, потому что ядро очень устойчиво, и на него не оказывают влияния высокие температуры, давление, а также электромагнитные поля. Резерфорд также смог экспериментально убедиться в том, что температура, давление и электромагнитное поле не влияют на скорость радиоактивного распада ядра, носителями которой в то время считали а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. Опыт Резерфорда заключался в следующем. Атом азота бомбардировался α-частицами большой энергии, испускаемыми радием. В результате было обнаружено появление протонов — ядер атома водорода. Регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций. Полученные результаты необходимо было подтвердить. Сделать это удалось спустя несколько лет, наблюдая превращение азота в камере Вильсона. Тогда ученые сделали вывод о преобразовании ядра азота:
ЭН 14 -7 в ядро изотопа кислорода 17 - 8 и при этом происходит испускание протона - атома водорода АШ 1 1. Для осуществления этого преобразования одна α -частица из каждых 50 000 α-частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере Вильсона, захватывается ядром азота. На фотографии данного процесса видно разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий — протону. Треки остальных α-частиц прямолинейны, так они не сталкиваются с ядрами азота. Похожие опыты по преобразованию ядер одного элемента в ядра другого под влиянием α-частиц были удачно проведены с ядрами фтора, натрия, алюминия и других элементов. Во всех случаях происходило также и испускание протонов. Проблемы возникли лишь с ядрами тяжелых элементов, которые находятся в конце периодической системы. Они не испытывали превращений, потому что α-частица не могла вплотную приблизиться к ядру, т.к. оно имеет большой электрический положительный заряд.
В 1932 году ученик Резерфорда английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Он бомбардировал бериллий α-частицами. При этом протоны не появлялись, но обнаружилось сильно проникающее излучение, способное преодолеть свинцовую пластину толщиной 10-20 см. Чедвик предположил, что это γ-лучи большой энергии. Работой в этом же направлении занимались и французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они в 1934 году открыли искусственную радиоактивность. Результаты их экспериментов по исследованию излучения бериллия под действием α-частиц имели большое значение для открытия нейтронов. На этом изучение ядра атома не закончилось, а лишь разгоралось с большей силой. В 1939 г Жолио-Кюри со своими коллегами доказал возможность цепной ядерной реакции с освобождением энергии, определил среднее число нейтронов, вылетающих при делении ядра атома урана. Продолжая свои эксперименты супруги Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения, образующегося при бомбардировке бериллия α-частицами, поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения быстро возрастает, потому что излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, которых много в данном водородсодержащем веществе. Протоны были обнаружены с помощью камеры Вильсона, а по длине пробега оценена их энергия. По их мнению, протоны, ускорялись в результате столкновения с -квантами, имеющими огромную энергию — около 55 МэВ (мегаэлектронвольт).
1 мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 миллион электронвольт. Если сравним с температурой 1 эВ примерно 11 6040С Чедвик же, наблюдая в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением, утверждал, что энергия -квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, должна составлять 90 МэВ, а для ядер аргона энергия этих гипотетических -квантов должна составлять 150 МэВ. Результаты этих опытов свидетельствовали о том, что ядра в результате столкновения с безмассовыми частицами приходят в движение, причем одни и те же -кванты будут обладать различной энергией. Это привело ученых в заблуждение, так как получалось что предположение об излучении безмассовых частиц -квантов бериллием неверно, т. е. из бериллия под действием -частиц вылетают какие-то другие достаточно тяжелые частицы, которые при столкновении с протонами или ядрами азота и аргона могли получить большую энергию. Кроме того, эти частицы обладая большой проникающей способностью, не ионизировали газ, а были электрически нейтральными, так как заряженная частица в результате взаимодействия с веществом быстро теряет свою энергию.
Данная частица была названа нейтроном. Массу нейтронов определили по энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с ними. Она оказалась чуть больше массы протона — 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. Масса нейтрона превосходит массу протона на 1, 94 МэВ, то есть больше чем на 2,5 массы или, проще говоря, в 1840 раз больше электрона. Поэтому говорят, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.
В результате попадания -частиц в ядра бериллия происходит реакция превращения бериллия в углерод с выделением нейтрона.
Нейтрон — нестабильная элементарная частица, не имеет электрического заряда. ЭН один ноль — символ нейтрона; заряд равен нулю, а относительная масса —единице. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино — безмассовую нейтральную частицу приблизительно за 15 мин. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы или в 1840 раз. Исследования нейтрона. Шапиро и Эстулин в 1955 году проводя прямые измерения заряда нейтрона по отклонению пучка тепловых нейтронов в электростатическом поле, определили, что заряд нейтрона меньше 6 умножить на 10 в минус 12 степени заряда электрона е. Проверив результаты измерений в лучших условиях коллимации пучка путем отражения от зеркал они получили: заряд равен сумме или разности минус одной целой девяти десятых и трех целых, семи десятых умноженной на 10 в минус 18 степени заряда электрона, т.е. заряд у нейтрона не обнаружен.
Наблюдать распад нейтронов при прохождении их через вещество весьма трудно. Однако его можно наблюдать в вакууме, для этого необходимо пользоваться интенсивными пучками медленных нейтронов.
Определить период полураспада нейтрона удалось в 1950 году. По данным Робсона он оказался 9-25 мин. В последующих работах Робсона дано уточненное значение периода 12,8 ± 2,5 мин.
В 1967 году Христенсен и другие ученые провели новые измерения периода полураспада нейтрона, и получили, что период полураспада равен: 650 плюс минус 10 секунд. Среднее время жизни τ (тау) связано с периодом полураспада соотношением: Период полураспада равен произведению времени жизни нейтрона тау на натуральный логарифм двух, подсчитав натуральный логарифм двух, получаем период полураспада равен 0, 69 умножить на время жизни. Таким образом, среднее время жизни τ (тау) равно 940 плюс минус 15 секунд или примерно 10 в третьей степени секунды.
Сейчас нейтроны очень широко используются. В ядерных реакторах при делении тяжелых ядер урана, под действием нейтронов, выделяется очень большая энергия. Однако этот процесс необходимо контролировать, так как количество энергии может быть настолько велико, что приведет к взрыву. Поэтому на атомных электростанциях применяют замедлители этого процесса.
Возникает вопрос зачем же использовать нейтроны и радиоактивный уран. Ответ прост. Использование урана - помогает сэкономить топливные ресурсы земли, хотя при этом нужны и дополнительные затраты на обеспечение безопасности.
В современном мире ученые стараются найти новое применение элементарным частицам - электронам, нейтронам и протонам. Это коллайдеры, реакторы на быстрых нейтронах.
С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции, постулировала, что вещество состоит из элементарных частиц - атомов. Однако только в XX веке было экспериментально установлено, что атом также состоит из субатомных частиц: протонов, электронов и нейтронов. В статье раскрывается тема, кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое влияние оказали эти открытия на развитие человечества.
Атом и субатомные частицы
Материя Вселенной состоит из маленьких частиц, которые называются атомами. Эта концепция была выдвинута греческим математиком и философом Демокритом еще в V веке до нашей эры. С древнегреческого языка слово "атом" переводится как "неделимый". Ввиду технической невозможности проверить, что представляет собой атом, эта гипотеза существовала вплоть до XIX века, когда достижения науки и технологий позволили изучить атом более тщательно. Благодаря изучению атома в конце XIX века было установлено, что он не является элементарной единицей материи и состоит из более мелких частиц, которые были названы субатомными. К этим частицам принято относить электрон, протон и нейтрон, поскольку они образуют атомы всего вещества.
В настоящее время в вопросе изучения элементарных частиц наука продвинулась далеко вперед. Так, было установлено, что даже субатомные частицы тоже имеют свою внутреннюю структуру. Кроме того, существует так называемая антиматерия, образованная атомами, состоящими из античастиц, которые тоже являются субатомными. Тем не менее начало ядерной физики и ядерной истории человечества положило именно открытие электронов, протонов и нейтронов. Кто открыл эти субатомные частицы, рассматривается в этой статье.
Современные представления о строении атома
Прежде чем переходить к ответу на вопрос, кто открыл нейтроны, протоны и электроны, рассмотрим, что с современной точки зрения представляет собой атом.
Каждое вещество, которое мы видим каждый день, состоит из молекул. Они же образованы атомами. Хотя количество различных молекул достаточно велико, все они образованы ограниченным количеством различных атомов (порядка 100). Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и вращающиеся вокруг ядра электроны, электрический заряд которых является отрицательным и противоположен по знаку заряду ядра.
Если применять эти представления к воде, то следует сказать, что в капле воды диаметром 4 мм находится приблизительно 10 15 молекул. Молекула воды состоит из 3 атомов: 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атом кислорода состоит из ядра, образованного 8 протонами и 8 нейтронами, и электронной оболочки, состоящей из 8 электронов.
Открытие электрона
До 1897 года человечество считало атом неделимым, когда британский физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон в своих экспериментах с катодными лучами. Прибор, который использовал Томсон, представлял собой герметичную трубку из стекла, в которую были помещены два катода, и был выкачан воздух. Ученый обнаружил, что испускаемые катодные лучи отклоняются от пути своего распространения, если на них воздействовать электрическим полем. В итоге ученый установил, что образующие эти лучи частицы должны иметь отрицательный заряд. Впоследствии эти частицы получили название электроны.
Открытие протона
Ученик Дж. Дж. Томсона, новозеландский физик Эрнест Резерфорд, считается ученым, открывшим протон. Он в начале XX века предложил планетарную модель строения атома, в которой основная масса находится в центре. К такой гипотезе Резерфорд пришел после анализа экспериментов, в которых ученые Ганс Гейгер и Эрнест Марсден бомбардировали альфа-частицами пластинку из золота.
В 1918 году Резерфорд провел самостоятельно эксперименты по взаимодействию альфа-частиц с азотом. В этих экспериментах ученый наблюдал испускание ядер атома водорода и пришел к заключению, что они являются "кирпичиками" для всех других ядер. Так Резерфорд открыл протон. Впоследствии было установлено, что ядерная масса значительно превосходила суммарную массу всех протонов атома, поэтому Резерфорд предположил, что в ядре атома существует еще некоторая тяжелая частица, не обладающая зарядом. Этой частицей стал нейтрон, который был открыт позже.
Кто открыл нейтрон?
Третья составляющая атом частица была открыта в 1932 году. Ученым, открывшим существование нейтронов, стал английский физик Джеймс Чедвик. Изучая поведение атомов, когда их бомбардируют альфа-частицы, Чедвик обнаружил существование радиационного излучения, частицы которого имели массу приблизительно такую же, как протоны, но являлись электрически нейтральными, поскольку не взаимодействовали с электрическим полем. Кроме того, эти частицы были способны пронизывать вещество и заставлять атомы тяжелых элементов делиться на более легкие. Из-за физических свойств новой частицы Чедвик назвал ее нейтроном, поэтому он по праву считается ученым, открывшим нейтрон.
Энергия атомного ядра
После того, как нейтроны были открыты, ядерная физика, а также химия и технологии сделали огромный шаг вперед. Перед человеком открылся новый, практически неисчерпаемый и в то же время опасный источник энергии.
Начало ядерной эры человечество ощутило на себе в 1945 году, когда США испытало в действии разрушительную первую ядерную бомбу "Тринити", сбросив ее на японские города Хиросима и Нагасаки.
Первое использование ядерной энергии в мирных целях следует отнести к середине 50-х годов XX века, когда в 1953 году был построен первый ядерный реактор, который заменил дизельный двигатель на американской подводной лодке "Наутилус".
Протонно-нейтронная теория. После открытия атомного ядра довольно долго (около 20 лет) считалось, что ядро состоит из протонов и электронов: А протонов и А - Z электронов. Мысль об этом казалась естественной, потому что при радиоактивном распаде наблюдалось испускание электронов (р-частиц). При этом, так как масса протона много больше массы электрона, удавалось объяснить не только заряд, но и массу ядра. Но у протонно-электронной модели были и противоречия. С развитием квантовой механики все очевиднее становилась несопоставимость «размеров» ядра и электрона. Кроме того, вскрылось и другое несоответствие, получившее название «азотной катастрофы». Было установлено, что спин ядра азота с А = 14 равен 1, т.е. имеет целочисленное значение, тогда как модель предсказывала полуцслос значение, как и для всякой системы, состоящей из нечетного числа фермионов.1 Это заставило ввести дополнительные предположения о том, что электроны в ядре находятся в некотором особом связанном состоянии. Интересно, что Резерфорд еще в 1920 г. высказал гипотезу о существовании «нейтрона» - комбинации из тесно связанных электрона и протона.
В последующие годы было сделано много попыток доказать существование постулированного Резерфордом нейтрона. Это удалось только в 1932 г. Дж. Чедвик исследовал свойства сильно проникающего излучения, возникающего при бомбардировке а-частицами бериллия или бора. Вначале предполагалось, что это очень жесткие у-лучи. Однако, когда выяснилась способность неизвестного излучения выбивать быстрые протоны из веществ, содержащих водород (рис. 1.4), от такого предположения пришлось отказаться, так как оно противоречило законам сохранения энергии и импульса. Чедвик показал, что все опытные факты легко объясняются, если предположить, что неизвестное излучение представляет собой поток незаряженных частиц с массой, примерно равной массе протона. В первых расчетах Чедвика масса нейтрона оказалась лишь немногим меньше суммы масс протона и электрона, т р + т е> и вначале, в духе гипотезы Резерфорда, Чедвик считал нейтрон составной частицей. Однако более поздние точные измерения показали, что нейтрон примерно на 1,5 т е тяжелее атома водорода. Согласно современным представлениям, нейтрон (п) - такая же элементарная частица, как и протон. Ее электрический заряд равен нулю, а спин, как у протона и электрона, /г.
Рис. 1.4.
После открытия нейтрона протонно-электронная гипотеза строения ядра была отброшена и заменена протонно-нейтронной (Д.Д. Иваненко, В. Гейзенберг, Э. Майорана, 1932 г.). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, совместно именуемых нуклонами . Число протонов в ядре равно атомному номеру Z соответствующего химического элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов равна массовому числу А. Следовательно, число нейтронов N= А - Z. Разновидность атомов химического элемента с определенным протонно- нейтронным составом ядра называют нуклидом. В качестве символа нуклида
используют обозначение у Э, где Э - символ элемента (^HeJ^C^N/gO и т.п.). Часто атомный номер Z опускают, так как он дублирует символ Э. Таким образом, ядро 4 Не (а-частица) содержит 2 протона и 2 нейтрона. Ядро l4 N состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, т.е. содержит 14 нуклонов, спин каждого из которых равен /г. Суммарный спин такой системы должен быть целочисленным, что и наблюдается на самом деле.
Ядра с одинаковым Z называют изотопами, с одинаковым N - изотонами, с одинаковым А - изобарами.
- Существование у электрона спина, т. е. собственного момента импульса, впервые было постулировано С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком на основании анализа тонкой структуры атомных спектров.Гипотеза о спине была экспериментально подтверждена в опытах О. Штерна и В. Герлаха. Фермионами называются все частицы, имеющие полуцелый (в единицах постоянной Планка h) спин. Спиныэлектрона и протона равны /г. Спин системы нечетного числа фермионов может быть только полуце-лым, четного - только целым. Подробнее о спине ядра см. Лекции 3-4.
- То есть, имеющие очень малую донну волны, или высокую энергию. Излучение бериллневой мишени, состоящее нз нейтральных частиц, впервые обнаружили В. Боте и Г. Беккер в 1930 г.
- Понятие элементарной чаетицы было введено в физику после того как стало очевидным, что атом иатомное ядро представляют собой сложные, составные объекты. Множество элементарных частицбыло открыто в 30-50-е гг. XX в. Характерной чертой большинства элементарных частиц является ихпревращение друг в друга в результате самопроизвольного распада. Свободный нейтрон наиболеедолгоживущая из нестабильных элементарных частиц: среднее время его жизни около 15 минут.
Когда выяснилось, что ядра атомов имеют сложное строение, встал вопрос о том, из каких именно частиц они состоят.
В 1913 г. Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода.
Основанием для такого предположения послужил ряд появившихся к тому времени фактов, полученных опытным путём. В частности, было известно, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз (т. е. кратны ей). В 1919 г. Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия α-частиц с ядрами атомов азота.
В этом опыте α-частица, летящая с огромной скоростью, при попадании в ядро атома азота выбивала из него какую-то частицу. По предположению Резерфорда, этой частицей было ядро атома водорода, которое Резерфорд назвал протоном (от греч. protos - первый). Но поскольку наблюдение этих частиц велось методом сцинтилляций, то нельзя было точно определить, какая именно частица вылетала из ядра атома азота.
Удостовериться в том, что из ядра атома действительно вылетал протон, удалось только несколько лет спустя, когда реакция взаимодействия α-частицы с ядром атома азота была проведена в камере Вильсона.
Через прозрачное круглое окошко камеры Вильсона даже невооружённым глазом можно увидеть треки (т. е. траектории) частиц, быстро движущихся в ней (рис. 161).
Рис. 161. Фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона
На рисунке видны расходящиеся веером прямые. Это следы α-частиц, которые пролетели сквозь пространство камеры, не испытав соударений с ядрами атомов азота. Но след одной α-частицы раздваивается, образуя так называемую «вилку». Это означает, что в точке раздвоения трека произошло взаимодействие α-частицы с ядром атома азота, в результате чего образовались ядра атомов кислорода и водорода. То, что образуются именно эти ядра, было выяснено по характеру искривления треков при помещении камеры Вильсона в магнитное поле.
Реакцию взаимодействия ядра азота с α-частицами с образованием ядер кислорода и водорода записывают так:
где символом H обозначен протон, т. е. ядро атома водорода, с массой, приблизительно равной 1 а. е. м. (точнее, 1,0072765 а. е. м.), и положительным зарядом, равным элементарному (т. е. модулю заряда электрона). Для обозначения протона используют также символ).
В дальнейшем было исследовано взаимодействие а-частиц с ядрами атомов других элементов: бора (В), натрия (Na), алюминия (Аl), магния (Mg) и многих других. В результате выяснилось, что из всех этих ядер α-частицы выбивали протоны. Это давало основания полагать, что протоны входят в состав ядер атомов всех химических элементов.
Открытие протона не давало полного ответа на вопрос о том, из каких частиц состоят ядра атомов. Если считать, что атомные ядра состоят только из протонов, то возникает противоречие.
Покажем на примере ядра атома бериллия (), в чём заключается это противоречие.
Допустим, что ядро состоит только из протонов. Поскольку заряд каждого протона равен одному элементарному заряду, то число протонов в ядре должно быть равно зарядовому числу, в данном случае четырём.
Но если бы ядро бериллия действительно состояло только из четырёх протонов, то его масса была бы приблизительно равна 4 а. е. м. (так как масса каждого протона приблизительно равна 1 а. е. м.).
Однако это противоречит опытным данным, согласно которым масса ядра атома бериллия приблизительно равна 9 а. е. м.
Таким образом, становится ясно, что в ядра атомов помимо протонов входят ещё какие-то частицы.
В связи с этим в 1920 г. Резерфордом было высказано предположение о существовании электрически нейтральной частицы с массой, приблизительно равной массе протона.
В начале 30-х гг. XX в. были обнаружены неизвестные ранее лучи, которые назвали бериллиевым излучением, так как они возникали при бомбардировке α-частицами бериллия.
Джеймс Чедвик (1891-1974)
Английский физик-экспериментатор. Работы в области радиоактивности и ядерной физики. Открыл нейтрон
В 1932 г. английский учёный Джеймс Чедвик (ученик Резерфорда) с помощью опытов, проведённых в камере Вильсона, доказал, что бериллиевое излучение представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Отсутствие у исследуемых частиц электрического заряда следовало, в частности, из того, что они не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. А массу частиц удалось оценить по их взаимодействию с другими частицами.
Эти частицы были названы нейтронами. Точные измерения показали, что масса нейтрона равна 1,0086649 а. е. м., т.е. чуть больше массы протона. Во многих случаях массу нейтрона (как и массу протона) считают равной 1 а. е. м. Поэтому вверху перед символом нейтрона ставят единицу. Нуль внизу означает отсутствие электрического заряда.
Вопросы
- Какой вывод был сделан на основании фотографии треков частиц в камере Вильсона (см. рис. 161)?
- Как иначе называется и каким символом обозначается ядро атома водорода? Каковы его масса и заряд?
- Какое предположение (относительно состава ядер) позволяли сделать результаты опытов по взаимодействию α-частиц с ядрами атомов различных элементов?
- К какому противоречию приводит предположение о том, что ядра атомов состоят только из протонов? Поясните это на примере.
- Как было доказано отсутствие у нейтронов электрического заряда? Как была оценена их масса?
- Как обозначается нейтрон, какова его масса по сравнению с массой протона?
