С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции,...
Кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое значение это имело для человечества
От Masterweb
01.08.2018 14:00С 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 1015 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".
Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255
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
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.
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.
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
