Открытие нейтрона — Гипермаркет знаний. Открытие протона

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.

История открытия нейтрона

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.

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. 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.

Из книги автора

Распад нейтрона Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут

Из книги автора

Открытия П. и М. Кюри Вернемся к радиоактивности. Беккерель продолжал исследование открытого им явления. Он считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, «представляет первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное

Из книги автора

История открытия нейтрона 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

Из книги автора

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНОВ УДАРА Вопросами теории удара интересовался уже Галилей. Им посвящен «шестой день» знаменитых «Бесед», оставшийся не вполне законченным. Галилей считал нужным определить прежде всего, «какое влияние на результат удара оказывают, с одной

Из книги автора

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА ТЯГОТЕНИЯ Декарт писал 12 сентября 1638 г. Мерсенну: «Невозможно сказать что-либо хорошее и прочное касательно скорости, не разъяснив на деле, что такое тяжесть и вместе с тем вся система мира»{111}. Это заявление диаметрально противоположно заявлению

Из книги автора

1. История открытия явления катализа Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Самые простые научные сведения о катализе были известны уже к началу XIX в. Знаменитый русский химик, академик К. С. Кирхгоф, открыл в 1811 г. каталитическое

Из книги автора

Профессор, не желавший делать открытия Следующим после Максвелла, кто изобрел новое фундаментальное понятие, стал человек, этого не желавший и для этого малоподходящий, - 42-летний германский профессор Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Он вырос в семье профессора-юриста, а

Из книги автора

2. На грани открытия Итак, Луна интересует всех! Штурм ее начался в 1959 году, когда весь мир услышал сообщение ТАСС о том, что «2 января в СССР успешно запущена первая космическая ракета „Луна-1“ („Мечта“), направленная в сторону Луны и ставшая первой искусственной планетой

Из книги автора

Послеобеденные замечания о природе нейтрона Ж. Вервье Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г. В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом «Нейтрон», от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако,

Из книги автора

XII. ВЕЛИКИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ И АСТРОНОМИЯ Интересы торговли вызвали крестовые походы, которые в сущности были завоевательно - торговыми экспедициями. В связи с развитием торговли, ростом городов и расширением ремесла, в нарождающемся буржуазном классе стала

Из книги автора

XIX. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ Долгое время после Коперника «правоверная» птолемеева система попрежнему преподавалась в университетах и поддерживалась церковью. Например, астроном Местлин (1550–1631), учитель Кеплера, был сторонником учения Коперника (он,

Из книги автора

Открытия не умирают Живя в век космоса и атома, естественно равняться на науку этого века. Но нельзя бросаться в крайность - пренебрежительно отвергать все то, что было найдено предшественниками.Да, «девяносто процентов всех ученых живы, работают рядом с нами». Но если бы

Из книги автора

1. Люди и открытия Они стали говорить на разных языках. Они познали скорбь и полюбили скорбь Они жаждали мучения и говорили, что истина достигается лишь мучением. Тогда у них явилась наука. Ф. М. Достоевский. Сон смешного человека Об открытиях мы слышим и читаем почти

Из книги автора

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ Несмотря на то что Дэви принял Фарадея на работу, чтобы тот просто мыл пробирки и выполнял аналогичные задания, Майкл согласился на эти условия, пользуясь любой возможностью для того, чтобы приблизиться к настоящей науке.Некоторое время спустя, в октябре

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".

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

Тема сегодняшнего занятия - «Открытие протона. Открытие нейтрона». На нём мы узнаем, как произошло одно из великих открытий ХХ века. Эти две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра, протон и нейтрон были открыты соответственно Резерфордом в 1919 г. и Чедвиком в 1932 г. Они опытным путем смогли установить и доказать, что эти две частицы входят в состав любого ядра.

Удивительная история случилась в самом начале ХХ века. Именно тогда были открыты две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра химических элементов - протон и нейтрон.

Протон

Начнем по порядку - с протона. Как известно, был открыт в 1919 г. Э. Резерфордом. Мы знаем, что в 1911 г. уже состоялся опыт Резерфорда по определению строения атома. А в 1913 г., т.е. через 2 года после своего знаменитого эксперимента, Резерфорд выдвинул очень важную идею. Он предложил считать, что в состав любого ядра, т.е. всех химических элементов, в ядре любого химического элемента находится водород. На чем основывались его такие размышления?

Уже был определены характеристики ядер водорода. Была известна масса, был известен заряд ядра водорода. Оказалось, что массы химических элементов делятся на массу водорода без остатка. Таким образом, Резерфорд сделал заявление, что, по всей вероятности, внутри любого ядра находится то или иное количество атомов водорода.

Но любая теория должна подтверждаться обязательно экспериментом. Такой эксперимент состоялся в 1919 г., именно тогда и был открыт протон. В своем эксперименте Резерфорд использовал a-частицы. Их Резерфорд направил на ядра азота. В результате этого эксперимента были получены два каких-то химических элемента. Один из них был отождествлен - кислород, а второй, по всей вероятности, являлся водородом. Обращаю ваше внимание: уверенности здесь не было. Почему?

Резерфорд использовал в своем эксперименте метод, о котором мы уже говорили на предыдущем уроке, - метод сцинтилляций, когда попадающая частица дает вспышку. По результатам таких экспериментов он судил о том, что там есть какая-то частица, соответствующая атому ядра водорода.

Рис.1. Результат бомбардировки a-частицами ядер азота: образовались кислород и частица, тождественная ядру водорода

Эту частицу, ядро водорода, он назвал протоном (от греч. «протос» - «первый»). Когда этот эксперимент повторили, но уже в камере Вильсона, причем эта камера находилась в магнитном поле, то уже не было никаких сомнений: открыта новая частица - протон. Итак, является ядром атома водорода. Давайте посмотрим на эту первую искусственную ядерную реакцию.

Ставится буква Р, внизу отмечается порядковый номер 1, как у водорода. И массовое число ставится 1, т.е. по оценке уже тогда, когда были проведены исследования в камере Вильсона, ясно стало, что масса протона приблизительно соответствует 1 атомной массе.

Обратите внимание на реакцию. Реакция происходила следующим образом:

Азот, порядковый номер 7 и массовое число 14, обстреливался a-частицами. Мы знаем, что a-частицы - это ядра атома гелия с порядковым номером 2 и с массовым числом 4. В результате такой реакции образовались два новых ядра. Два совершенно новых элемента.

Первое ядро - это ядро, соответствующее атому кислорода, с порядковым номером 8 и массовым числом 17. И та частица, ядро атома водорода, которое мы теперь можем смело назвать протоном.

Итак, ядро атома водорода и протон - это одно и то же, были открыты в 1919 г. по сути своей в опытах Резерфорда.

Нейтрон

Следующий этап в развитии строения ядра атома был связан с именем Чедвика. Это ученик Резерфорда. Именно ему удалось в 1932 г. открыть нейтрон. Обнаружить нейтрон было гораздо сложнее, ведь - электрически нейтральная частица, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немецких ученых, Боте и Беккер, в результате опытов обнаружили, что при облучении a-частицами бериллия образуется какое-то неизвестное излучение.

После открытия Резерфордом протона, многие ученые направили свои помыслы и силы на то, чтобы провести ядерные реакции, искусственные ядерные реакции. При помощи a-лучей стали облучать многие элементы, наблюдая за реакцией. Вот и немецкие ученые в 1930 г., облучая бериллий, получили неизвестное излучение. Вначале это излучение решили отождествить с g-лучами. Они распространялись вдоль прямой, не отклонялись в электрическом и магнитном полях, обладали большой энергией и высокой проникающей способностью.

В дальнейшем при изучении других реакций стало ясно, что такие же лучи образуются, когда a-лучами обстреливают бор и некоторые другие химические элементы. Сравнивая химические элементы, полученные в результате такого рода реакций, поняли, что данные лучи не являются никакими лучами (g-лучами уж точно не являются, поскольку обладают более высокой проникающей способностью энергией по сравнению с g-лучами).

Рис. 2. Джеймс Чедвик

В 1932 г. Чедвик предположил, что это какая-то новая частица, которая не обладает электрическим зарядом. Именно этим объясняются все ее свойства: она хорошо проникает через преграды, потому что не взаимодействует с ядрами. Такую новую частицу назвали нейтрон (т.к. он электрически нейтрален).

Давайте посмотрим на обозначения этой частицы и обсудим ее свойства. Обозначение нейтрона следующее:

Поскольку у нейтрона нет заряда, то 0 ставится внизу, где пишется зарядовое число, а вот массовое число у него равно 1. Масса нейтрона почти равна, но чуть больше массы протона. Поэтому тоже было решено ставить в массовом обозначении число, равное 1.

Теперь можно смело говорить о том, что нейтрон и протон составляют ядро атома. Но о том, какова модель ядра атома, что она собой представляет, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука, 1965

Задание к уроку