В современной экспериментальной и прикладной физике большую роль играют нейтроны. При их помощи удалось освободить энергию атомного ядра в процессе деления ядер и создать мощные источники энергии. Так как нейтрон - частица незаряженная, то кулоновский барьер не препятствует ее проникновению в ядро. Это обусловливает особые возможности использования нейтрона для изучения ядерных структур и реакций.

История открытия нейтрона весьма характерна для путей развития ядерной физики вообще. Резерфорд еще в 1920 г. на основании общих соображений предсказал существования частицы с и массой, примерно равной массе протона, и даже обрисовал некоторые ее свойства.

В 1930 г. Боте и Беккер, облучая пластинку -частицами, наблюдали какое-то излучение, которое действовало на счетчик. Это «что-то» не могло быть -частицами, так как пробеги -частиц были меньше толщины использовавшейся пластинки Поскольку это излучение слабо поглощалось свинцом, естественно было считать его у-лучами.

В 1932 г. Жолио и Кюри повторили опыт с На пути неизвестного излучения они помещали парафин и наблюдали протоны, выбитые из парафина. Энергия протонов оказалась равной Было высказано предположение, что происходит ядерный фотоэффект. Из общих законов кинематики можно показать, что протоны такой энергии могли быть выбиты из ядра за счет ядерного фотоэффекта, только если энергия первичных превышала Но к этому времени уже было выяснено, что ядру свойственны энергетические уровни порядка лишь нескольких единиц и поэтому ядра, испускавшие не могли иметь возбужденного уровня с энергией, равной Таким образом, вопрос об источнике такого жесткого был не решен.

Чэдвик, руководствуясь идеей Резерфорда, анализировал результаты опытов Боте и Беккера, Жолио и Кюри и предположил, что новое проникающее излучение состоит не из фотонов, а из тяжелых нейтральных частиц. Наблюдая в камере Вильсона ядра отдачи азота, возникшие в результате взаимодействия нового излучения с азотом, и протоны отдачи, образованные в парафине, Чэдвик первый определил массу нейтрона, которая оказалась приблизительно равной массе протона.

Рассмотрим законы сохранения энергии и импульса, из которых было впервые получено значение массы нейтрона. Если предположить, что нейтроны выбивают из парафина протоны отдачи и рассматривать столкновение нейтрона с протоном как упругое рассеяние, то можно написать для лобового столкновения, когда скорость, приобретаемая протоном, максимальна:

где масса нейтрона; скорость нейтрона до столкновения; скорость нейтрона после столкновения; масса и скорость протона.

Здесь в двух уравнениях содержатся три неизвестные величины: (скорость протона определяется по его пробегу). Поэтому необходим дополнительный опыт. Чтобы получить третье уравнение, с теми же нейтронами повторяют опыт на азоте (масса ядра азота и определяют максимальную энергию отдачи ядра азота, с которым столкнулся нейтрон Она равна Энергия отдачи протона равна Следовательно, можно определить скорости протонов и ядер азота Решая уравнения совместно для скоростей ядер отдачи, получим

Тема сегодняшнего занятия - «Открытие протона. Открытие нейтрона». На нём мы узнаем, как произошло одно из великих открытий ХХ века. Эти две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра, протон и нейтрон были открыты соответственно Резерфордом в 1919 г. и Чедвиком в 1932 г. Они опытным путем смогли установить и доказать, что эти две частицы входят в состав любого ядра.

Удивительная история случилась в самом начале ХХ века. Именно тогда были открыты две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра химических элементов - протон и нейтрон.

Протон

Начнем по порядку - с протона. Как известно, был открыт в 1919 г. Э. Резерфордом. Мы знаем, что в 1911 г. уже состоялся опыт Резерфорда по определению строения атома. А в 1913 г., т.е. через 2 года после своего знаменитого эксперимента, Резерфорд выдвинул очень важную идею. Он предложил считать, что в состав любого ядра, т.е. всех химических элементов, в ядре любого химического элемента находится водород. На чем основывались его такие размышления?

Уже был определены характеристики ядер водорода. Была известна масса, был известен заряд ядра водорода. Оказалось, что массы химических элементов делятся на массу водорода без остатка. Таким образом, Резерфорд сделал заявление, что, по всей вероятности, внутри любого ядра находится то или иное количество атомов водорода.

Но любая теория должна подтверждаться обязательно экспериментом. Такой эксперимент состоялся в 1919 г., именно тогда и был открыт протон. В своем эксперименте Резерфорд использовал a-частицы. Их Резерфорд направил на ядра азота. В результате этого эксперимента были получены два каких-то химических элемента. Один из них был отождествлен - кислород, а второй, по всей вероятности, являлся водородом. Обращаю ваше внимание: уверенности здесь не было. Почему?

Резерфорд использовал в своем эксперименте метод, о котором мы уже говорили на предыдущем уроке, - метод сцинтилляций, когда попадающая частица дает вспышку. По результатам таких экспериментов он судил о том, что там есть какая-то частица, соответствующая атому ядра водорода.

Рис.1. Результат бомбардировки a-частицами ядер азота: образовались кислород и частица, тождественная ядру водорода

Эту частицу, ядро водорода, он назвал протоном (от греч. «протос» - «первый»). Когда этот эксперимент повторили, но уже в камере Вильсона, причем эта камера находилась в магнитном поле, то уже не было никаких сомнений: открыта новая частица - протон. Итак, является ядром атома водорода. Давайте посмотрим на эту первую искусственную ядерную реакцию.

Ставится буква Р, внизу отмечается порядковый номер 1, как у водорода. И массовое число ставится 1, т.е. по оценке уже тогда, когда были проведены исследования в камере Вильсона, ясно стало, что масса протона приблизительно соответствует 1 атомной массе.

Обратите внимание на реакцию. Реакция происходила следующим образом:

Азот, порядковый номер 7 и массовое число 14, обстреливался a-частицами. Мы знаем, что a-частицы - это ядра атома гелия с порядковым номером 2 и с массовым числом 4. В результате такой реакции образовались два новых ядра. Два совершенно новых элемента.

Первое ядро - это ядро, соответствующее атому кислорода, с порядковым номером 8 и массовым числом 17. И та частица, ядро атома водорода, которое мы теперь можем смело назвать протоном.

Итак, ядро атома водорода и протон - это одно и то же, были открыты в 1919 г. по сути своей в опытах Резерфорда.

Нейтрон

Следующий этап в развитии строения ядра атома был связан с именем Чедвика. Это ученик Резерфорда. Именно ему удалось в 1932 г. открыть нейтрон. Обнаружить нейтрон было гораздо сложнее, ведь - электрически нейтральная частица, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немецких ученых, Боте и Беккер, в результате опытов обнаружили, что при облучении a-частицами бериллия образуется какое-то неизвестное излучение.

После открытия Резерфордом протона, многие ученые направили свои помыслы и силы на то, чтобы провести ядерные реакции, искусственные ядерные реакции. При помощи a-лучей стали облучать многие элементы, наблюдая за реакцией. Вот и немецкие ученые в 1930 г., облучая бериллий, получили неизвестное излучение. Вначале это излучение решили отождествить с g-лучами. Они распространялись вдоль прямой, не отклонялись в электрическом и магнитном полях, обладали большой энергией и высокой проникающей способностью.

В дальнейшем при изучении других реакций стало ясно, что такие же лучи образуются, когда a-лучами обстреливают бор и некоторые другие химические элементы. Сравнивая химические элементы, полученные в результате такого рода реакций, поняли, что данные лучи не являются никакими лучами (g-лучами уж точно не являются, поскольку обладают более высокой проникающей способностью энергией по сравнению с g-лучами).

Рис. 2. Джеймс Чедвик

В 1932 г. Чедвик предположил, что это какая-то новая частица, которая не обладает электрическим зарядом. Именно этим объясняются все ее свойства: она хорошо проникает через преграды, потому что не взаимодействует с ядрами. Такую новую частицу назвали нейтрон (т.к. он электрически нейтрален).

Давайте посмотрим на обозначения этой частицы и обсудим ее свойства. Обозначение нейтрона следующее:

Поскольку у нейтрона нет заряда, то 0 ставится внизу, где пишется зарядовое число, а вот массовое число у него равно 1. Масса нейтрона почти равна, но чуть больше массы протона. Поэтому тоже было решено ставить в массовом обозначении число, равное 1.

Теперь можно смело говорить о том, что нейтрон и протон составляют ядро атома. Но о том, какова модель ядра атома, что она собой представляет, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

1. Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
2. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
4. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука, 1965

Задание к уроку

В начале XXвека, когда уже было установлено, что молекулы состоят из атомов, встал новый вопрос. Из чего же состоят атомы? Английский ученый Резерфорд и группа его учеников взялись решить эту непростую задачу.

Ядро атома водорода в ядре любого вещества

Уже было известно, что сам атом состоит из ядра и вращающегося вокруг него на большой скорости электрона. Но вот из чего состоит ядро? Резерфорд предполагал, что в состав ядра атома любого химического элемента обязательно входит ядро атома водорода.

Позже это удалось доказать серией экспериментов. Суть экспериментов заключалась в следующем: атомы азота бомбардировались альфа-излучениями. Это приводило к тому, что периодически альфа-излучения выбивали из ядра атома азота некоторые частицы.

Весь этот процесс запечатлевался на светочувствительной пленке. Однако, все равно свечение было так слабо, что Резерфорд и его ученики, прежде чем приниматься за опыт, около 8 часов сидели в абсолютно темной комнате, чтобы глаз мог разглядеть мельчайшие световые сигналы.

По характеру световых следов было установлено, что выбитые частицы это ядра атомов кислорода и водорода. Таким образом, подтвердилось предположение Резерфорда о том, что ядро атома водорода входит в состав ядра атома любого химического элемента.

Открытие протона

Данную частицу Резерфорд назвал протоном. От греческого «протос» - первый. Следует понимать, что не протон является ядром атома водорода, а наоборот, ядро атома водорода имеет такое строение, что в него входит всего один протон.

В состав ядер атомов других химических элементов может входить гораздо большее число протонов. Протон имеет положительный электрический заряд. При этом заряд протона равен заряду электрона, вот только имеет другой знак.

Таким образом, протон и электрон как бы уравновешивают друг друга. Поэтому все предметы изначально никак не заряжены, и приобретают заряд только при попадании в электрическое поле.

Открытие нейтрона

После открытия протона ученые понимали, что ядро состоит не только из протонов, поскольку на примере ядра атома бериллия выяснилось, то суммарная масса протонов в ядре 4 единицы массы, тогда как масса ядра в целом 9 единиц массы.

То есть еще 5 единиц массы принадлежат каким-то другим частицам, которые к тому же не имеют электрического заряда, поскольку иначе протонно-электронный баланс был бы нарушен.

Ученик Резерфорда Чедвик провел серию опытов и обнаружил частицы, вылетающие из ядра атома бериллия при бомбардировке альфа-излучениями, но не имеющими никакого заряда.

Отсутствие заряда было констатировано по тому факту, что частицы никак не реагировали на электромагнитное поле. Стало очевидно, что обнаружен недостающий элемент конструкции ядра атома.

Данные частицы были названы нейтронами. Нейтрон имеет массу примерно равную массе протона, но при этом, как уже говорилось, не имеет никакого заряда.

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.

Описание 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.