Khám phá neutron

10

Venstom, rất lớn. Thật vậy, bằng cách thay thế $d \sim 10^{-14}$ m (kích thước đặc trưng của hạt nhân nguyên tử được ước tính trong các thí nghiệm về sự tán xạ của các hạt $\alpha$ do Rutherford thực hiện vào năm 1910), chúng ta thu được
$$p \approx 6,6 \cdot 10^{-20} \text{Дж.}$$

Đối với một hạt có khối lượng $m \approx 9,1 \times 10^{-31}$ kg thì đây là một xung lực rất lớn. Do đó, để ước tính năng lượng $E$ của electron, chúng ta phải sử dụng sự tương ứng của đường kính tương đối tính
$$E = pc^2/v,$$
(3)

trong đó $c = 3 \cdot 10^8$ m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không, $v$ là tốc độ của electron. (Sự tương ứng này tuân theo các công thức tương đối nổi tiếng
$$E = \frac{m_0 c^2}{\sqrt{1-v^2/c^2}}, p = \frac{m_0 v}{\sqrt{1-v^2/c^2}},$$
trong đó $m_0$ là khối lượng electron.)
Đặt $v \approx c$ trong trường hợp đang xem xét, chúng tôi nhận được từ (3):
$$E \approx pc.$$
Bây giờ bất đẳng thức (2) có thể được viết lại thành
$$E > hc/d.$$
Thay thế các giá trị $h$, $c$ và $d$ ở đây, chúng ta nhận được: $E > 2 \cdot 10^{-11}$ J hoặc $E > 10^8$ EV (hãy nhớ rằng 1 EV = 1,6 $\times$ 10$^{-19}$ J).
Vì vậy, để lọt vào hạt nhân nguyên tử bên trong, một electron phải có năng lượng ít nhất $10^8$ EV. Trong quá trình phân rã β của hạt nhân, năng lượng này sẽ được giải phóng. Tuy nhiên, như kinh nghiệm cho thấy, năng lượng được giải phóng bởi hạt nhân trong quá trình phân rã β nhỏ hơn đáng kể - nó không vượt quá $10^5 - 10^6$ EV (mỗi hạt nhân).
Do đó, người ta phải thừa nhận rằng, thứ nhất, các electron không có trong thành phần của hạt nhân và thứ hai, trong quá trình phân rã β của hạt nhân, một electron được sinh ra tại thời điểm xảy ra sự kiện phân rã (tương tự như cách các photon được sinh ra khi ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử).
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mặc dù đã phát hiện ra tính chất sóng của electron, câu hỏi về sự hiện diện của electron trong hạt nhân vẫn tiếp tục bỏ ngỏ trong một thời gian. có lẽ vì lý do mà các tính chất sóng của electron dường như không thể hiểu được ở thang đo?

Nghiên cứu bí ẩn

Năm 1919, Rutherford là người đầu tiên thực hiện quá trình phân tách nhân tạo hạt nhân nitơ bằng các hạt $\alpha$. Phản ứng hạt nhân này theo ký hiệu hiện đại trông như thế này:
$$\frac{14}{7}N + \frac{4}{2}He \rightarrow \frac{17}{8}O + p$$
($\frac{14}{7}N$ - hạt nhân nitơ, gồm 7 proton và 7 neutron; $\frac{4}{2}He$ - hạt nhân helium, hoặc $\alpha$-hạt (2 proton, 2 neutron); $\frac{17}{8}O$ - hạt nhân của một trong các hợp chất oxy (8 proton, 9 neutron); $p$ - proton).
Trong những năm tiếp theo, việc tích hợp nghiên cứu các phản ứng hạt nhân xảy ra dưới tác động của các hạt $\alpha$ bắt đầu. Người ta phát hiện ra rằng các nguyên tố đa ánh sáng, khi bắn phá bằng hạt $\alpha$, sẽ phát ra proton. Nhiều nhưng không phải tất cả!
Vào tháng 5 năm 1930, các nhà vật lý người Đức Bothe và Becker phát hiện ra rằng berili, khi bị bắn phá bởi các hạt $\alpha$, không phát ra proton mà phát ra một số phát xạ khác, cho đến nay vẫn chưa được biết đến. Bức xạ này không để lại bất kỳ dấu vết nào trong buồng mây; Sự phát xạ này truyền qua khá nhiều tấm svizz (dày 10 cm) gần như không suy yếu. Do đó, người ta đề xuất rằng bức xạ $\gamma$ rất cứng này là bức xạ điện từ, lượng tử của nó ($\gamma$-lượng tử) mang năng lượng rất lớn.
Các nhà vật lý người Pháp Irene và Frederic Jollu-Curie bắt đầu quan tâm đến bức xạ Bothe-Becker bí ẩn. Họ đặt một rào chắn làm từ chất chứa hydro - parafin - trên đường đi của bức xạ và ngay lập tức thu được một kết quả thú vị: hàng rào parafin, không giống như hàng rào chì, chặn bức xạ Bothe-Becker một cách đáng tin cậy; Đồng thời, một số lượng lớn proton bay nhanh từ parafin theo hướng bức xạ của cân.
Jollu-Curie cho rằng proton là hạt nhân giật lùi xuất hiện do sự va chạm của các photon có năng lượng rất cao với các nguyên tử hydro có trong parafin. Proton bị “đánh bật” khỏi nguyên tử hydro. Biết năng lượng của proton

11

người ta có thể ước tính năng lượng của photon đã “đánh bật” proton này. Jollus-Curie đã đưa ra đánh giá này. Năng lượng của proton được xác định từ khoảng cách tối đa mà immi di chuyển trong không khí. Sau đó, dựa trên các định luật bảo toàn động lượng và năng lượng, người ta đưa ra ước tính năng lượng của photon tương ứng. Giá trị của giá trị này hóa ra rất lớn: ~5×10⁷ eV.

Mặc dù lời giải thích được đưa ra một cách chung chung nhưng nó không thể được coi là thỏa đáng và cuối cùng. Còn nhiều điều chưa rõ ràng. Năng lượng photon lớn đến từ đâu? Tại sao, trong khi sẵn sàng truyền năng lượng của chúng cho các proton, nhưng futon lại không muốn tương tác với các nguyên tử chì? Tuy nhiên, trong công trình của họ xuất bản ngày 18 tháng 1 năm 1932, Irène và Frédéric Jollu-Curie tiếp tục tin rằng bức xạ Bothe-Becker là bức xạ điện từ cứng. Những dòng kết luận của công trình cho biết: “Vì vậy, những quan sát của chúng tôi rõ ràng đã chứng minh rằng bức xạ điện từ tần số cao có khả năng giải phóng các proton trong các chất chứa hydro và mang lại cho chúng vận tốc cao”.

Khám phá neutron của Chadwick

Sau khi làm quen với công trình của Jollus-Curie, nhà vật lý người Anh D. Chadwick từ phòng thí nghiệm Rutherford ở Cambridge đồng ý rằng các nhà vật lý người Pháp (cũng như các nhà vật lý người Đức Bothe và Becker) đang nghiên cứu không phải bức xạ điện từ cứng mà là neutron. Chadwick là sinh viên của Rutherford; dưới ảnh hưởng của người thầy, từ lâu anh đã thấm nhuần ý tưởng về “neutron”, tìm kiếm neutron và mong đợi sẽ gặp chúng trong bất kỳ bức xạ mới nào. Sau này ông thừa nhận: “Tất nhiên, suy nghĩ của tôi xoay quanh neutron”.

Chadwick lặp lại các thí nghiệm Jollu-Curie, đưa sự tồn tại bổ sung vào chúng để kiểm tra giả thuyết neutron: ông đã sử dụng các cửa chớp khác nhau chứa các nguyên tố nhẹ (hydro, lithium, carbon, nitơ và các loại khác). Chadwick phát hiện ra rằng bức xạ bí ẩn được tạo ra khi bắn phá berili bằng các hạt alpha có khả năng tạo ra không chỉ proton mà còn cả các hạt nhân giật lùi khác - hạt nhân của lithium, carbon, nitơ, v.v.

Để đo năng lượng của các hạt nhân giật lùi, Chadwick đã sử dụng buồng định danh xung và máy hiện sóng. Buồng ion hóa có hai điện cực, giữa chúng có hiệu điện thế (10²—10³ V). Lõi giật lại, hoạt động gần các điện cực này, tạo ra sự phân tán của các nguyên tử khí dẫn hướng buồng. Các ion giật lùi và electron xuất hiện trên đường đi của hạt nhân dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động đến các điện cực nối tương ứng; Kết quả là, một xung dòng điện xuất hiện trong mạch của buồng danh định, xung này có thể được áp dụng thành công vào máy ghi dao động. Bằng cách đo độ lớn của xung quan sát được trên máy hiện sóng, Chadwick đã xác định được năng lượng của các hạt nhân giật lùi khác nhau (proton, hạt nhân nitơ, v.v.). Sau khi so sánh năng lượng, ông đi đến kết luận: bức xạ phát sinh trong quá trình bắn phá berili bởi các hạt α không gì khác hơn là một dòng các hạt trung hòa có khối lượng gần bằng khối lượng của một proton.

12

Và thế là vào ngày 27 tháng 2 năm 1932 (tức là chỉ một tháng sau khi công trình của Jollus-Curie được xuất bản), thông điệp ngắn gọn của Chadwick “Khả năng tồn tại của neutron” xuất hiện. Tin nhắn cho biết một phần:

“… Các kết quả thu được rất khó giải thích dựa trên giả định về bức xạ điện tử, nếu năng lượng và động lượng phải được bảo toàn trong quá trình va chạm. Tuy nhiên, khó khăn sẽ biến mất nếu chúng ta giả sử rằng bức xạ bao gồm các hạt có khối lượng 1 và nhiễm bẩn 0, tức là neutron. Có thể giả định rằng do hạt α bị hạt nhân Be bắt giữ, một hạt nhân $^{12}$C được hình thành và một neutron được phát ra… Sự va chạm của các neutron này với các nguyên tử mà chúng đi qua tạo ra các nguyên tử giật lại; Năng lượng quan sát được của các nguyên tử giật lại hoàn toàn phù hợp với quan điểm này.”

Lý luận và những phép tính khá đơn giản của Chadwick, dựa trên các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, thang đo là đáng nể. Hãy thử lặp lại chúng.

Giả sử rằng một hạt nhân có khối lượng $m$ (neutron giả định), có tốc độ $v$, chịu bất kỳ va chạm đàn hồi nào với một hạt nhân có khối lượng nghỉ $m'$. Định luật bảo toàn năng lượng và động lượng đối với một va chạm nhất định có dạng:

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

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

trong đó $v_1$ và $v_2$ là vận tốc của hạt nhân $m$ và $m'$ sau va chạm. Lưu ý rằng các vectơ $v, v_1$ và $v_2$ hướng dọc theo cùng một đường thẳng. Từ các phương trình này, chúng ta tìm được tốc độ của lõi giật lại (lõi $m'$):

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

($v_2, v$ - giá trị tuyệt đối của vận tốc). Chúng ta hãy giả sử thêm rằng trong một trường hợp, lõi minshen có khối lượng $m'$ (chúng ta biểu thị tốc độ của nó sau va chạm là $v_2'$) và trong trường hợp khác, nó có khối lượng $m''$ (vận tốc $v_2''$). Từ (5) suy ra rằng

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

Trong trường hợp minien chứa hydro và chứa nitơ, giá trị khối lượng hạt nhân giật lùi của $m'=1$ và $m''=14$ tương ứng. Sau khi đo năng lượng của hạt nhân giật lùi đối với những miniene này, Chadwick nhận thấy rằng $v_2'/v_2'' \approx 7$. Trong trường hợp này, thư từ (6) có dạng

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

từ đó nó ngay lập tức theo sau $m \approx 1$.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm của Chadwick: V.K. - buồng chân không; 1 - polonium, là nguồn của hạt α; 2 - hạt α; 3 — beryl minshen; 4 - bức xạ xuyên thấu (neutron); 5 - rào cản từ đó hạt nhân giật lùi bị đánh bật ra (các thí nghiệm được thực hiện với các rào cản khác nhau làm từ các nguyên tố nhẹ); 6 - hạt nhân giật lùi thoát ra khỏi bộ giảm chấn; I.K. - buồng ion hóa để đo năng lượng của hạt nhân giật lùi; 7 - điện cực để thu thập các ion được hình thành bởi các buồng bên trong khi đi qua lõi giật lại.

14

Sự phát triển của phản ứng hạt nhân rất dễ giải thích. Khi một hạt tích điện va chạm với hạt nhân, xác suất nó xuyên qua hạt nhân bị giới hạn bởi lực đẩy Coulomb. Trong trường hợp va chạm của neutron với hạt nhân, các hạn chế loại này không tồn tại. Lực tương tác giữa neutron và hạt nhân ban đầu rất nhỏ; Chỉ ở những khoảng cách rất ngắn, nó mới bắt đầu phát triển nhanh chóng và có đặc tính hấp dẫn… Do đó, ngay cả những neutron có năng lượng rất thấp cũng có thể xuyên qua hạt nhân.”
Năm 1934, nhà vật lý người Ý E. Fermi đã phát hiện ra tính phóng xạ nhân tạo của hạt nhân nguyên tử dưới tác động của bức xạ neutron.
Cũng trong năm 1934, Fermi và các cộng sự đã quan sát thấy sự phân hạch của hạt nhân các nguyên tố nặng dưới tác dụng của neutron chậm. (Đúng, Fermi đã không đưa ra cách giải thích chính xác về hiện tượng quan sát được. Chỉ đến năm 1939, các nhà vật lý người Đức O. Hahn và F. Strassmann mới đưa ra kết luận lý thuyết chính xác: dưới tác dụng của neutron chậm, sự phân hạch của hạt nhân nặng và sự hình thành chất thải phóng xạ xảy ra.)
Việc phát hiện ra neutron đã bắt đầu kỷ nguyên vật lý hạt nhân, được đánh dấu vào giữa thế kỷ 20 bởi sự phát triển của vật lý hạt cơ bản và sự phát triển của công nghệ hạt nhân.
Trong lịch sử vật lý, năm 1932 thường được gọi là “năm của những phép lạ”, để ghi nhận vô số khám phá đáng chú ý xảy ra trong năm đó. Người ta có thể đồng ý với cái tên này ngay cả khi chúng ta chỉ tính đến việc phát hiện ra neutron.

Việc phát hiện ra neutron là một loại nút trong mạng lưới nghiên cứu khoa học có định hướng

NGHIÊN CỨU TÍNH PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

TÍCH LŨY DỮ LIỆU VỀ CẤU TRÚC CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ (KÍCH THƯỚC, KHỐI LƯỢNG, điện tích, THÀNH PHẦN, V.v.)

NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN BỞI CÁC HẠT α

PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NĂNG LƯỢNG HẠT

PHÁT HIỆN NEURON

TẠO MÔ HÌNH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

NGHIÊN CỨU LỰC HẠT NHÂN

NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN BỞI NEUTRO

KHÁM PHÁ PHÁT XẠ NUCLEI DO neutron gây ra

PHÁT HIỆN PHÂN NHÂN HẠT NHÂN