Главная >> Физика 11 класс. Мякишев

Глава 13. Физика атомного ядра

§ 103. Открытие нейтрона

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 α-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде.

Первым ядром, подвергшимся искусственному преобразованию, было ядро атома азота Бомбардируя азот α-частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода.

В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций¹, 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 каждые 50 000 α-частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, поглощается ядром азота, что и приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода:

¹ Сцинтилляция — вспышка, происходящая при попадании частиц на поверхность, покрытую слоем специального вещества, например слоем сульфида цинка.

На рисунке 13.9 показана одна из фотографий этого процесса. Слева видна характерная «вилка» — 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 α-частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов, находящихся в конце периодической системы, не испытывали превращений. Очевидно, из-за большого электрического (положительного) заряда α-частица не могла 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 α-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 γ-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 α-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 13.10) супруги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. По их данным, если протоны ускорялись в результате столкновения с γ-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 γ-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 этих гипотетических γ-квантов должна составлять 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с безмассовыми частицами, исследователи пришли к явному противоречию: одни и те же γ-кванты обладали различной энергией.

Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием γ-квантов, т. е. безмассовых частиц, несостоятельно. Из бериллия под действием α-частиц вылетают какие-то достаточно тяжелые частицы. Ведь только при столкновении с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась на опыте. 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 масса этих новых частиц. Она оказалась чуть больше массы протона — 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. Было установлено в итоге, что при попадании α-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Элементарная частица — нейтрон — не имеет электрического заряда. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы.

Вопрос к параграфу

Объясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота — только ее часть.