Открытие нейтрона

Открытие нейтрона — это научное событие, произошедшее в 1932 году, в ходе которого была экспериментально обнаружена и идентифицирована нейтральная элементарная частица, входящая в состав атомного ядра. Открытие, совершённое британским физиком Джеймсом Чедвиком, завершило формирование протонно-нейтронной модели ядра и заложило основы современной ядерной физики.

Предпосылки открытия

Модели атомного ядра до 1932 года

К началу 1930-х годов модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом (1911), предполагала наличие компактного положительно заряженного ядра, окружённого электронами. Однако состав самого ядра оставался неясным. Основной проблемой было несоответствие между массой ядра и его зарядом: масса атомных ядер, как правило, в два и более раза превышала сумму масс протонов (количество которых определялось атомным номером). Для объяснения этого расхождения существовали две основные гипотезы:

• Протон-электронная модель: предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Например, ядро азота (атомный номер 7, относительная атомная масса 14) должно было содержать 14 протонов и 7 электронов, что давало бы заряд +7 и массу 14. Однако эта модель противоречила квантовой механике, в частности принципу неопределённости и статистике спина (для азота предсказывался полуцелый спин, а экспериментально наблюдался целый).
• Гипотеза о нейтральной частице: в 1920 году Резерфорд предположил существование нейтральной частицы, состоящей из тесно связанных протона и электрона, которая могла бы входить в состав ядра. Эта гипотеза не получила экспериментального подтверждения в течение десятилетия.

Эксперименты Боте и Беккера

В 1930 году немецкие физики Вальтер Боте и Герберт Беккер изучали взаимодействие альфа-частиц (ядер гелия-4) с лёгкими элементами, в частности с бериллием. Они обнаружили, что при облучении бериллия альфа-частицами возникает проникающее излучение, которое они интерпретировали как гамма-излучение высокой энергии. Это излучение проходило через свинцовые пластины толщиной в несколько сантиметров, что было необычно для гамма-лучей.

Эксперименты Ирен и Фредерика Жолио-Кюри

В 1931—1932 годах французские физики Ирен Жолио-Кюри и её муж Фредерик Жолио-Кюри повторили опыты Боте и Беккера. Они обнаружили, что загадочное излучение от бериллия способно выбивать протоны из парафиновой пластинки (вещества, богатого водородом). Выбитые протоны регистрировались в камере Вильсона. Жолио-Кюри интерпретировали это как эффект Комптона для гамма-квантов, но энергия, необходимая для выбивания протонов, была несовместима с законами сохранения энергии и импульса, если бы излучение было электромагнитным. Тем не менее, они не предложили альтернативного объяснения.

Эксперимент Джеймса Чедвика

Постановка задачи

Джеймс Чедвик, работавший в Кавендишской лаборатории под руководством Резерфорда, был знаком с гипотезой о нейтральной частице. Узнав о результатах Жолио-Кюри, он немедленно предположил, что бериллиевое излучение состоит не из гамма-квантов, а из нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона.

Ход эксперимента

В феврале 1932 года Чедвик провёл серию экспериментов, используя источник альфа-частиц (полоний-210), бериллиевую мишень и различные детекторы. Он измерял энергию и импульс частиц, выбиваемых из различных веществ (водорода, гелия, азота, аргона) под действием бериллиевого излучения. Для этого использовалась ионизационная камера, соединённая с осциллографом.

Ключевым моментом стала проверка закона сохранения импульса. Чедвик показал, что если бы излучение было гамма-квантами, то при столкновении с ядром водорода (протоном) гамма-квант должен был бы передать ему определённый импульс. Однако измеренные значения импульсов протонов, выбитых из парафина, были в десятки раз больше, чем предсказывала теория для гамма-квантов. При столкновении с ядрами азота или аргона наблюдалось аналогичное несоответствие, но с другим соотношением. Это однозначно указывало на то, что излучение состоит из частиц, имеющих массу, сравнимую с массой ядра, а не из безмассовых фотонов.

Результаты и интерпретация

Чедвик рассчитал массу новой частицы, используя законы сохранения энергии и импульса при упругих столкновениях с ядрами водорода и азота. Он получил значение, примерно равное массе протона (1,0087 а.е.м. против 1,0073 а.е.м. у протона). Частица была названа нейтроном (от лат. neutrum — ни то, ни другое) из-за отсутствия электрического заряда.

Результаты были опубликованы в журнале Nature в феврале 1932 года в статье «Possible Existence of a Neutron» и в мае 1932 года в более подробной работе «The Existence of a Neutron».

Значение открытия

Завершение протонно-нейтронной модели ядра

Открытие нейтрона позволило создать непротиворечивую модель атомного ядра, предложенную Дмитрием Иваненко (в СССР) и Вернером Гейзенбергом (в Германии) в 1932 году. Согласно этой модели, ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых сильным ядерным взаимодействием. Это объяснило расхождение между массой и зарядом ядра: масса ядра равна сумме масс протонов и нейтронов, а заряд определяется только числом протонов.

Развитие ядерной физики

• Ядерные реакции: нейтрон, не имея заряда, легко проникает в атомные ядра, не испытывая кулоновского отталкивания. Это сделало его идеальным снарядом для ядерных реакций. Уже в 1934 году Энрико Ферми начал систематическое облучение элементов нейтронами, что привело к открытию искусственной радиоактивности и, в конечном счёте, к созданию ядерного реактора.
• Деление ядер: в 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман, облучая уран нейтронами, обнаружили деление ядра, что положило начало атомной энергетике и созданию ядерного оружия.
• Нейтронная оптика и дифракция: нейтроны, обладая волновыми свойствами, используются для изучения структуры твёрдых тел и жидкостей (нейтронография).

Признание

За открытие нейтрона Джеймс Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике в 1935 году. Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри, чьи эксперименты были ключевыми для интерпретации, не получили премию за это открытие, хотя позже, в 1935 году, они были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие искусственной радиоактивности.

Источники

1. Chadwick, J. (1932). Possible Existence of a Neutron. Nature, 129(3252), 312.
2. Chadwick, J. (1932). The Existence of a Neutron. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 136(830), 692–708.
3. Bothe, W., & Becker, H. (1930). Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen. Zeitschrift für Physik, 66(5-6), 289–306.
4. Joliot-Curie, I., & Joliot, F. (1932). Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l’influence des rayons γ très pénétrants. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, 194, 273–275.
5. Иваненко, Д. Д. (1932). О строении атомного ядра. Доклады Академии наук СССР, 4, 117–120.
6. Heisenberg, W. (1932). Über den Bau der Atomkerne. Zeitschrift für Physik, 77(1-2), 1–11.
7. Ферми, Э. (1934). Radioattività indotta da bombardamento di neutroni. La Ricerca Scientifica, 5(1), 283–286.