Кто и когда открыл нейтрон. Физика открытие нейтрона. Современные представления о строении атома

Водорода, элемента, который имеет наиболее простое строение. Оно имеет положительный заряд и практически неограниченное время жизни. Это самая стабильная частица во Вселенной. Протоны, образовавшиеся в результате Большого Взрыва, до сих пор не распались. Масса протона составляет 1,627*10-27 кг или 938,272 эВ. Чаще эту величину выражают в электронвольтах.

Протон был открыт «отцом» ядерной физики Эрнестом Резерфордом. Он выдвинул гипотезу о том, что ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов, так как по массе они превышают ядро атома водорода в целое число раз. Резерфорд поставил интересный опыт. В те времена уже была открыта естественная радиоактивность некоторых элементов. С помощью альфа-излучения (альфа-частицы представляют собой ядра гелия с высокими энергиями) ученый облучал атомы азота. В результате такого взаимодействия вылетала частица. Резерфорд предположил, что это протон. Дальнейшие опыты в пузырьковой камере Вильсона подтвердили его предположение. Так в 1913 году была открыта новая частица, но гипотеза Резерфорда о составе ядра оказалась несостоятельной.

Открытие нейтрона

Великий ученый нашел ошибку в своих расчетах и выдвинул гипотезу о существовании еще одной частицы, входящей в состав ядра и обладающей практически той же массой, что и протон. Экспериментально он не смог ее обнаружить.

Это сделал в 1932 году сделал английский ученый Джеймс Чедвик. Он поставил опыт, в ходе которого бомбардировал атомы бериллия высокоэнергетическими альфа-частицами. В результате ядерной реакции из ядра бериллия вылетала частица, впоследствии названная нейтроном. За свое открытие Чедвик уже через три года получил Нобелевскую премию.

Масса нейтрона действительно мало отличается от массы протона (1,622*10-27 кг), но эта частица не обладает зарядом. В этом смысле она нейтральна и в то же время способна вызывать деление тяжелых ядер. Из-за отсутствия заряда нейтрон может легко пройти через высокий кулоновский потенциальный барьер и внедриться в структуру ядра.

Протон и нейтрон обладают квантовыми свойствами (могут проявлять свойства частиц и волн). Нейтронное излучение используют в медицинских целях. Высокая проникающая способность позволяет этому излучению ионизировать глубинные опухоли и другие злокачественные образования и обнаруживать их. При этом энергия частиц относительно маленькая.

Нейтрон, в отличие от протона, нестабильная частица. Ее время жизни составляет около 900 секунд. Она распадается на протон, электрон и электронное нейтрино.

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.

История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чадвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфорда). , как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра азота а-частицами. Этим методом удалось также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924 г.), которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.

Рис. Дж. Чадвик

Разгорелась дискуссия, в которой оспаривал расщепление указанных трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить» руководителям и видевших вспышки там, где их не было.

В 1930 г. Вальтер Боте (1891 - 1957) и Г. Беккер бомбардировали α-частицами полония. При этом они обнаружили, что , а также бор испускают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким γ-излучением.

11 января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на заседании Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Беккером. Они показали, что это излучение «способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость». Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

В следующем сообщении, сделанном 7 марта 1932 г., Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали фотографии следов протонов в камере Вильсона, выбиваемых из парафина бериллиевым излучением.

Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны, в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чадвик предлагает допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов - частиц с единичной массой и нулевым зарядом».

Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, объяснение появления длинно-пробежных протонов требует рождения в бериллии фотонов с энергией в 50 Мэв. При этом энергия фотона оказывается зависящей от вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.

Эту коллизию разрешил Чадвик. Он помещал бериллиевый источник перед ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой пластинки. Помещая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из алюминия, Чадвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина протоны с энергией до 5,7 Мэв. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен сам обладать энергией в 55 Мэв. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 Мэв. Чтобы передать азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию по меньшей мере 90 Мэв. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллиевого излучения.

Чадвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что бериллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чадвик опубликовал статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако предварительная заметка о нейтроне была опубликована им в номере «Nature» . От 27 февраля 1932 г. В дальнейшем И. и Ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг. подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении α-лучами.

Протонно нейтронная модель ядра

28 мая 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в «Nature» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему азотной катастрофы. В самом деле, по этой гипотезе ядро азота состоит из 14 частиц - 7 протонов и 7 нейтронов и, таким образом, подчиняется статистике Бозе, как это было показано в 1930 г. Разетти из исследований рамановского спектра. В июне 1932 г. с большой статьей о протонно-нейтронной модели ядра выступил В. Гейзенберг.

Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Она, как казалось, противоречила испусканию электронов ядрами в β-распаде. Гейзенберг вспоминал в 1968 г., что за предположение об отсутствии электронов в ядре его «довольно сильно критиковали самые крупные физики». И он справедливо заключал, что это показывает, как на самом деле трудно отказаться от вещей, которые кажутся настолько очевидными, что принимаются априорно». В соответствии с терминологией Аристотеля очень трудно отказаться от «явного для нас» для «явного по природе».

Идея о строении ядер только из тяжелых частиц с трудом принималась физиками. Мысль о том, что электронов внутри ядра нет, была высказана Дираком еще в 1930 г., но была законсервирована. Открытие нейтрона многими рассматривалось как несущественное-просто открыто сложное образование протона и электрона, так думал еще . Простую картину мира, в которой фундаментальными «кирпичиками мироздания» были протон и электрон, никто не хотел усложнять введением новых частиц.

В сентябре 1933 г. в Ленинграде состоялась конференция по атомному ядру, в которой принимали участие и иностранные ученые. Ф. Жолио (он тогда еще не носил двойной фамилии) сделал два доклада: «Нейтроны» и «Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращение ядер». П. Дирак сделал доклад о теории позитрона; Ф. Перрен - о моделях ядра. С докладом о модели ядра выступил и Д. Д. Иваненко. Он энергично защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. «Появление электронов, позитронов и пр.,-говорил Иваненко,- следует трактовать как своего рода рождение частиц, по аналогии с излучением светового кванта, также не имевшего индивидуального существования до испускания из атома». Д. Д. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы «должны, по-видимому, обладать одинаковой степенью элементарности», т. е. и нейтрон и протон, обе элементарные частицы, могут переходить друг в друга, испуская электрон или позитрон. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринято

Статья на тему Открытие нейтрона

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".

История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра атома а-частицами. Этим методом удалось также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924), которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.

Разгорелась дискуссия, в которой Резерфорд оспаривал расщепление указанных трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить» руководителям и видевших вспышки там, где их не было.

В 1930 г. Вальтер Боте (1891-1957) и Г. Беккер бомбардировали бериллий а-частицами полония. При этом они обнаружили, что бериллий, а также бор испускают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким у-излучением.

И января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на заседании Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Беккером. Они показали, что это излучение «способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость».

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны, в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чедвик предлагает допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов - частиц с единичной массой и нулевым зарядом».

Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, то объяснение появления длиннопробежных протонов требует рождения в бериллии фотонов с энергией в 50 МэВ. При этом энергия фотона оказывается зависящей от вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.

Эту коллизию разрешил Чедвик. Он помещал бериллиевый источник перед ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой пластинки. Располагая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из алюминия, Чедвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина протоны с энергией до 5,7 МэВ. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен сам обладать энергией в 55 МэВ. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 МэВ. Чтобы передать азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию по меньшей мере 90 МэВ. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллиевого излучения.

Чедвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что бе-риллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чедвик опубликовал статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако предварительная заметка о нейтроне была опубликована в номере «Nature» от 27 февраля 1932 г. В дальнейшем И. и ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг. подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении а-лучами.