Открытие протона и нейтрона определение. Физика открытие нейтрона

В 1920 г. Резерфорд высказывал догадку о существовании нейтральной элементарной частицы, образованной в результате слияния электрона и протона. Для проведения экспериментов по обнаружению этой частицы в тридцатых годах в Кавендишскую лабораторию был приглашен Дж.Чедвик. Опыты проходили в течение многих лет. С помощью электрического разряда через водород получались свободные протоны, которыми бомбардировали ядра различных элементов. Расчет был на то, что удастся выбить из ядра искомую частицу и разрушить ее, и по трекам распадных протона и электрона косвенным образом зафиксировать акты выбивания.

В 1930 году Боте и Бекер при облучении a - частицами бериллия обнаружили излучение огромной проникающей способности. Неизвестные лучи проходили через свинец, бетон, песок и т.д. Вначале предполагалось, что это жесткое рентгеновское излучение. Но такое предположение не выдерживало критики. При наблюдении редких актов столкновения с ядрами последние получали такую большую отдачу, для объяснения которой надо было предполагать необыкновенно высокую энергию рентгеновских фотонов.

Чедвик решил, что в опытах Боте и Бекера из бериллия вылетали те нейтральные частицы, которые он пытался обнаружить. Он повторил опыты, надеясь обнаружить теки нейтральных частиц, но безрезультатно. Треки не обнаруживались. Он отложил свои опыты.

Решающим толчком к возобновлению его экспериментов была опубликованная Ирен и Фредериком Жолио-Кюри статья о способности бе­риллиевого излучения выбивать протоны из парафина (январь 1932 г.). Учитывая результаты Жолио-Кюри, он модифицировал опыты Боте и Бекера. Схема его новой установки показана на рисунке 30. Бериллиевое излучение получалось при рассеянии a - частиц на бериллиевой пластинке. На пути излучения помещался парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны.

Сейчас нам известно, что излучение из бериллия представляет собой поток нейтронов. Их масса практически равна массе протона, поэтому большую часть энергии нейтроны передают вылетающим вперед протонам.Выбиваемые из парафина и летящие вперед протоны имели энергию около 5,3 МэВ . Чедвик сразу отбросил возможность объяснения выбивания протонов эффектом Комптона, так как в этом случае приходилось предполагать, что рассеиваемые на протонах фотоны имеют огромную по тем временам энергию около 50 МэВ (в то время не были известны источники таких высокоэнергичных фотонов). Поэтому он сделал вывод, что наблюдавшееся взаимодействие происходит по схеме
реакция Жолио-Кюри (2)

В этом опыте не только впервые наблюдались свободные нейтроны, это также первое ядерное превращение - получение углерода при слиянии гелия и бериллия.

Задача 1. В опыте Чедвика выбитые из парафина протоны имели энергию 5,3 МэВ . Покажите, что для приобретения такой энергии протонами при рассеянии фотонов необходимо, чтобы фотоны имели энергию 50 МэВ .

После того, как было открыто, что вещества состоят из молекул, а те в свою очередь - из атомов, перед учёными-физиками встал новый вопрос. Необходимо было установить структуру атомов - из чего же состоят они. За решение этой непростой задачи взялись и его ученики. Открытие протона и нейтрона ими состоялось в начале прошлого века

У Э. Резерфорда уже были предположения относительно того, что атом состоит из ядра и обращающихся вокруг него на огромной скорости электронов. Но из чего состоит ядро атома, было не совсем понятно. Э. Резерфорд предложил гипотезу о том, что в составе атомного ядра любого химического элемента должно быть ядро

Позже была доказана серией экспериментов, в результате которых было совершено открытие протона. Суть экспериментальных опытов Э. Резерфорда состояла в том, что атомы азота подвергались бомбардировке альфа-излучением, с помощью которого некоторые частицы выбивались из атомного ядра азота.

Этот процесс фиксировался на светочувствительной плёнке. Однако свечение было таким слабым, а чувствительность плёнки была также невелика, поэтому Э. Резерфорд предложил своим ученикам, прежде чем приступать к опыту, несколько часов кряду находиться в темной комнате, чтобы глаза могли рассмотреть едва заметные световые сигналы.

В этом эксперименте по характерным световым следам было определено, что частицы, которые были выбиты, являлись ядрами атомов водорода и кислорода. Гипотеза Э. Резерфорда, которая привела его к тому, что было совершено открытие протона, нашла своё блестящее подтверждение.

Эту частицу Э. Резерфорд предложил назвать протоном (в переводе с греческого языка «протос» означает первый). При этом надо понимать это так, что атомное ядро водорода имеет такую структуру, что в ней присутствует только один протон. Так было совершено открытие протона.

Электрический заряд он имеет положительный. При этом количественно он равняется заряду электрона, только знак имеет противоположный. То есть, получается, что протон и электрон как бы друг друга уравновешивают. Поэтому все предметы, поскольку они состоят из атомов, первоначально не заряжены, а электрический заряд они получают тогда, когда на них начинает действовать электрическое поле. В структуре атомных ядер различных химических элементов может находиться большее количество протонов, чем в атомном ядре водорода.

После того, как было совершено открытие протона, ученые начали понимать, что ядро атома химического элемента состоит не только из протонов, так как, проводя физические эксперименты с ядрами атома бериллия, обнаружили, что в ядре составляла четыре единицы, в то время как в целом масса ядра - девять единиц. Логично было предположить, что ещё пять единиц массы принадлежит каким-то неизвестным частицам, не имеющим электрического заряда, так как в противном случае электронно-протонный баланс был бы нарушен.

Ученик Э. Резерфорда, провел эксперименты и смог обнаружить элементарные частицы, которые вылетали из атомного ядра бериллия, когда их бомбардировали альфа-излучением. Выяснилось, что они не имеют никакого электрического заряда. Обнаружено было отсутствие заряда вследствие того, что эти частицы не реагировали на Тогда стало понятно, что обнаружен недостающий элемент структуры атомного ядра.

Эту открытую Д. Чедвиком частицу назвали нейтроном. Выяснилось, что он имеет такую же массу, как у протона, но, как уже было сказано, не имеет никакого электрического заряда.

Кроме того, было подтверждено экспериментально, что количество протонов и нейтронов равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.

Во Вселенной можно наблюдать такие объекты, как нейтронные звёзды, которые являются нередко конечным этапом эволюции звёзд. Такие нейтронные звёзды отличаются очень высокой плотностью.

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.

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 "^N. Бомбардируя азот а-частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов - ядер атома водорода. В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций, и их результаты не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна а-частица на 50 ООО частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром азота, что приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода: 147N+*He^O + ;H. На рисунке 261 показана одна из фотографий этого процесса. Слева видна характерная «вилка» - Жолио-Кюри Фредерик (1900-1958) - французский ученый и прогрессивный общественный деятель. Жолио-Кюри 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 а-частиц. Фредерик Жолио-Кюри 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. разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий - протону. Остальные а-частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны. Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием а-частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов, находящихся в конце периодической системы, не испытывали превращений. Очевидно, что их большой электрический заряд не позволял а-частице приблизиться к ядру вплотную. Открытие нейтрона. В 1932 г. произошло важнейшее для всей ядерной физики событие: учеником Резерфорда английским физиком Д. Чедвиком был открыт нейтрон. При бомбардировке бериллия а-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 у-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 а-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 262) супруги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. Если согласно сделанному предположению протоны ускорялись в результате столкновения су-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 у-квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, которая обнаруживалась в этих наблюдениях, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные же наблюдения в камере Вильсона треков ядер аргона привели к выводу, что энергия указанных гипотетических у-квантов должна составлять 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с частицами, лишенными массы покоя, исследователи пришли к явному противоречию: одним и тем же у-квантам приходилось приписывать различную энергию. Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием у-квантов, т. е. частиц, лишенных массы покоя, несостоятельно. Из бериллия под действием а-частиц вылетают какие-то достаточно тяжелые частицы. Только при столкновениях с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась. 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 их масса. Она оказалась чуть больше массы протона - 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. При попадании а-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция: э 4 12 i 4Ве + 2Не ->? 6С +0п. Здесь х0п - символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная масса - приблизительно единице. Нейтрон - нестабильная частица: свободный нейтрон за время около 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино - частицу, лишенную массы покоя. Элементарная частица - нейтрон - не имеет электрического заряда. Масса нейтрона больше массы протона приблизительно 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.