Открытие нейтрона

10

венстом, очень велико. Действительно, подставив $d \sim 10^{-14}$ м (характерные размеры atomного ядра были оценены в опытах по рассеянию $\alpha$-частиц, выполенных Резерфордом еще в 1910 г.), получим
$$p \approx 6,6 \cdot 10^{-20} \text{Дж.}$$

Для частицы, масса которой $m \approx 9,1 \times 10^{-31}$ кг, это — огромный импульс. Поэтому для оценки энергии $E$ электрона надо воспользоваться соответствием релятивистской диамники
$$E = pc^2/v,$$
(3)

где $c = 3 \cdot 10^8$ м/c — скорость света в вакууме, $v$ — скорость электрона. (Это соответствие следует из известных релятивистских формул
$$E = \frac{m_0 c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}, p = \frac{m_0 v}{\sqrt{1-v^2/c^2}},$$
где $m_0$ — масса электрона.)
Полагая в рассматриваемом нами случае $v \approx c$, получаем из (3):
$$E \approx pc.$$
Теперь неравенство (2) может быть переписано в виде
$$E > hc/d.$$
Подставив сюда значения $h$, $c$ и $d$, получим: $E > 2 \cdot 10^{-11}$ Дж, или $E > 10^8$ ЭВ (напомним, что 1 ЭВ = 1,6 $\times$ 10$^{-19}$ Дж).
Итак, чтобы поместиться внутренAtomного ядра, электрон должен энергию не менее $10^8$ ЭВ. При β-распаде ядра эта энергия должна была бы освобождаться. Однако, как показывает опыт, энергия, выделяющая при β-распаде ядр, существенно меньше — она не превыходит $10^5 - 10^6$ ЭВ (в расчете на одно ядро).
Следовательно, приходит признать, что, во-первых, электрон в состав ядер не входят и, во-вторых, электрон при β-распаде ядрарождается в момент акта распада (подобно тому какрождаются фотоны при испускании света atomами).
Впрочем, надо заметить, что несмотря на обнаружение у электрона волновых свойств, вопрос о наличии электронов в ядрах неотоденое время продолжал оставаться открытым. может быть, по той причине, что волновые свойства электрона казались весы неопонятными?

Загадочное изучение

В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное расщепление ядра азота $\alpha$-частиц. Эта ядерная реакция в современной записи выглядает так:
$$\frac{14}{7}N + \frac{4}{2}He \rightarrow \frac{17}{8}O + p$$
($\frac{14}{7}N$ — ядро азота, состоящее из 7 протонов и 7 нейтронов; $\frac{4}{2}He$ — ядро гелия, или $\alpha$-частица (2 протона, 2 нейтрона); $\frac{17}{8}O$ — ядро одного из изготовов кислорода (8 протонов, 9 нейтронов); $p$ — протон).
В последующие годы началось интегирование изучения ядрных реакций, произходящих под действием $\alpha$-частиц. Было установлено, что многолегкие элементы при обстреле $\alpha$-частицами испускают протоны. Многие, но не все!
В мае 1930 г. немецкие физики Боте и Бекер обнаружили, что берилли при обстреле $\alpha$-частицами испускает не протоны, а какое-то другое испускание, до тех пор не известное. Излучение это не оставляло трехков в камере Вильсона; через довольно только съвизцовые плиты (толщиной 10 см) это испускание проходило, почти не ослабевая. Поэтому было высказано предположение, что это очень жесткое $\gamma$-излучение — электромагнитное излучение, кванты которого ($\gamma$-кванты) несут огромную энергию.
Загадочный излучением Боте — Бекера занитесовались французские физики Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри. Они поставили на пути изизлучения заслоку из водородсодержащого вещества — парафина — и немедленно получили интересный результат: парафиновая заслока, в отличие от свинцовой, надежно перекрывала излучение Боте — Бекера; при этом из парафина летело в направлении излучения весы большое число быстрох протонов.
Жоллю-Кюри предположили, что протоны — ядра отдачи, появляющиеся в результате стольновения с atomами водорода, имеющимся в парафине, фотонов с очень большой энергей. Протоны «выбиваются» из atomов водорода. Зная энергию протона,

11

можно оценить энергию фотона, «выбившего» этот протон. Жоллю-Кюри сделали эту оценку. Энергия протонов была определена по максимальным расстояниям, проходным имми в воздухе. Затем, на основании законов сохранения импульса и энергии, быладана оценка соответствующей энергии фотона. Значение этой величины оказалось очень большим: ~5×10⁷ эВ.

Хотя в общих чертах обяснение является было дано, признать его удовлетворительным и окончательным было нельзя. Многое оставалось неясным. Откуда берется столь большая энергия фотонов? Почему, охотно передавая свою энергию протонам, футоны в то же время не желают взаимодействовать сатомами свинца? И тем не менее в своей работе, опубликованной 18 января 1932 г., Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри продолжали считать, что излучение Боте — Бекера — жесткое электромагнитное излучение. В заключительных строках работы говорилось: «Итак, насмотции опытими, по-видимому, установлено, что электромагнитное излучение высокой частоты способно освободить в водородсодержащих веществ промоны и придавать им высокие скорости».

Открытие нейтрона Чедвиком

Познакомившись с работой Жоллю-Кюри, английский физик Д. Чедвик из лаборатории Резерфорда в Кембридже договорался, что французские физики (равно как и немецкие физики Боте и Бекер) имели дело не с жестким электромагнитным излучением, а с нейтронами. Чедвик был учеником Резерфорда; под влиянием учителья он давно и основательно проникся идеей «нейтрона», искал нейтроны, ожидал встреть их в любом новом излучении. Воспследствии он признавался: «Мой мысли, естественно, вертельсь вокруг нейтронов».

Чедвик повторил опыты Жоллю-Кюри, внеся в них существование дополнительные с целью проверки нейтронной гипотезы: он использовал разные засlonки, содержащие легкие элементы (водород, литий, углерод, азот и другие). Чедвик обнаружил, что загадочное излучение, возниклошее приombardировке бериллия α-частицами, способно создавать не только протоны, но и другие ядра отдачи — ядра лития, углерода, азота и т. д.

Для измерения энергии ядер отдачи Чедвик воспользовался импульсной номизационной камерой с использованием и осцилографом. Ионизационная камера имеет два электрода, между которых подана разность потенциалов (10²—10³ В). Ядро отдачи, пропелая влизи этих электродов, производит номизацию atomов газа, направляющего камеру. Возникающие на пути ядра отдачионы и электроны движутся под действием электрического поля к соответствующим соираюшим электродам; в результате в цепи номизационной камеры появляется импульс тока, который может быть успешно и подан на осцилограф. Измеряя величины наблюдаемого на осцилографе импульса, Чедвик определял энергию различных ядер отдачи (протонов, ядер азота и др.). Сравнив затем энергии, он пришел к выводу: излучение, возниклошее приombardировке бериллия α-частицами, есть не что иное, как поток нейтральных частиц с массой, практически равной массе протона.

12

И вот 27 февраля 1932 г. (то есть спустя всего лишь месяц после опубликования работы Жоллю-Кюри) появляется краткое сообщение Чедвика «Возможность существования нейтрона». В сообщении, в частиности, говорилось:

«… Результаты, полученные много, очень трудно обяснить, исходя из предположения об электронном излучении, если при стольновении должны сохраняться энергия и количество движения. Однако трудности исчезают, если предположить, что излучение состоит из частиц с массой 1 и загрязом 0, то есть из нейтронов. Можно предположить, что в результате захвата α-частицы ядром Be образуется ядро $^{12}$C и испускается нейтрон … Столковения этих нейтронов с атомами, через которые они проходят, создают атомы отдачи; наблюдаемая энергия атомов отдачи находится в полном соответствии с макой точкой зрения».

Рассужждение и довольно простые расчеты Чедвика, основанные на законах сохранения энергии и импульса, весы почительны. Попробуем повторить их.

Предположим, что ядро массы $m$ (предполагаемый нейтрон), имеющее скорость $v$, испытывает любое упругое столковение с покоящимся ядром массы $m'$. Законы сохранения энергии и импульса для данного столковения имеют вид:

$$mv^2/2 = mv_1^2/2 + m'v_2^2/2,$$

$$mv = mv_1 + m'v_2,$$

где $v_1$ и $v_2$ — скорости ядер $m$ и $m'$ после столковения. Заметим, что векторы $v, v_1$ и $v_2$ направлены вдоль одной прямой. Из этих уравнений найдем скорость ядра отдачи (ядра $m'$):

$$v_2 = 2vm/(m + m')$$

($v_2, v$ — абсолотные значения скоростей). Далее предположим, что в одном случае ядро-minшень имеет массу $m'$ (обозначим его скорость после столковения как $v_2'$), а в другом случае — массу $m''$ (скорость $v_2''$). Из (5) следует, что

$$v_2'/v_2'' = (m + m'')/(m + m'').$$

В случае водородсодержащей и азотсодержащей миниеней значения масс ядер отдачи соответствующего $m'=1$ и $m''=14$. Измерив для этих миниеней энергии ядер отдачи, Чедвик нашел, что $v_2'/v_2'' \approx 7$. В этом случае соответствие (6) прибретает вид

$$(m + 14)/(m + 1) \approx 7,$$

откуда немедленно следует, что $m \approx 1$.

Схема экспериментальной установки Чедвика: В. К. — вакуумная камера; 1 — полоний, являющийся источником α-частиц; 2 — α-частицы; 3 — бериливая миншень; 4 — проникающей излучение (нейтроны); 5 — заслона, из которой выбиваются ядра отдачи (опыты проводились с разными заслонами из легких элементов); 6 — вылетошие из заслонки ядра отдачи; И. К. — ионизационная камера для измерения энергии ядер отдачи; 7 — электроды для собриванияонов, образующихся внутренними камерными при прохождения через ядер отдачи.

14

ний ядерных реакций легко обьяснить. При стольновении загяженной частицы с ядром вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой расталкивания. В случае же соударения нейтрона с ядром ограничения такого типа не существует. Сила взаимодействия нейтрона с ядром вначале весма мала; лишь на очень малых расстояниях она начинает быстро растити и носит характер притяжения… Поэтому даже нейтроны очень малой энергии могут проникнуть в ядро.»
В 1934 г. италянским физиком Э. Ферми была открыта искусственная радиоактивность atomных ядер под действием нейтронного облучения.
В том же 1934 г. Ферми с сотрудниками наблюдали деление ядер тяжелых элементов под действием медленных нейтронов. (Правда, верную интерпретацию наблюдаемого явления Ферми не дал. Только в 1939 г. немецкие физики О. Ган и Ф. Штрасман сделали правильный теоретический вывод: под действием медленных нейтронов проискают деление тяжелых ядер с образованным радиоактивным осоклов.)
С открытом нейтрона началась эра ядерной физики, ознакомовавшаяся в середине XX столетия развитием физики элементарных частиц и розденим ядерной техники.
В истории физики 1932 г. обычно называют «годом чудес», отдавая должное обилию замечательных открытий, выпавших на долю этого года. С этим названем можно согласиться даже в том случае, если учитывать только открытие нейтрона.

Открытие нейтрона — своеобразный узел в сети направленный научных исследований

ИССЛЕДОВАНИЯ ЕСТЕСТ – ВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ АТОМНЫХ ЯДЕР

НАКОПЛЕНИЕ ДАННЫХ ПО СТРУКТУРЕ АТОМНЫХ ЯДЕР (РАЗМЕРЫ, МАССА, ЗАРЯД, СОСТАВ И Т.П.)

ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ, ИНИЦИРОВАННЫХ α - ЧАСТИЦМИ

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЧАСТИЦ

ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ АТОМНЫХ ЯДЕР

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОВЛЕМЫ ЯДЕРНЫХ СИЛ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ, ИНИЦИРОВАННЫХ НЕЙТРОНАМИ

ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ ЯДЕР, НАВЕДЁННОЙ НЕЙТРОНАМИ

ОТКРЫТИЕ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР