Когда выяснилось, что ядра атомов имеют сложное строение, встал вопрос о том, из каких именно частиц они состоят.
В 1913 г. Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода.
Основанием для такого предположения послужил ряд появившихся к тому времени фактов, полученных опытным путём. В частности, было известно, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз (т. е. кратны ей). В 1919 г. Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия α-частиц с ядрами атомов азота.
В этом опыте α-частица, летящая с огромной скоростью, при попадании в ядро атома азота выбивала из него какую-то частицу. По предположению Резерфорда, этой частицей было ядро атома водорода, которое Резерфорд назвал протоном (от греч. protos - первый). Но поскольку наблюдение этих частиц велось методом сцинтилляций, то нельзя было точно определить, какая именно частица вылетала из ядра атома азота.
Удостовериться в том, что из ядра атома действительно вылетал протон, удалось только несколько лет спустя, когда реакция взаимодействия α-частицы с ядром атома азота была проведена в камере Вильсона.
Через прозрачное круглое окошко камеры Вильсона даже невооружённым глазом можно увидеть треки (т. е. траектории) частиц, быстро движущихся в ней (рис. 161).
Рис. 161. Фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона
На рисунке видны расходящиеся веером прямые. Это следы α-частиц, которые пролетели сквозь пространство камеры, не испытав соударений с ядрами атомов азота. Но след одной α-частицы раздваивается, образуя так называемую «вилку». Это означает, что в точке раздвоения трека произошло взаимодействие α-частицы с ядром атома азота, в результате чего образовались ядра атомов кислорода и водорода. То, что образуются именно эти ядра, было выяснено по характеру искривления треков при помещении камеры Вильсона в магнитное поле.
Реакцию взаимодействия ядра азота с α-частицами с образованием ядер кислорода и водорода записывают так:
где символом H обозначен протон, т. е. ядро атома водорода, с массой, приблизительно равной 1 а. е. м. (точнее, 1,0072765 а. е. м.), и положительным зарядом, равным элементарному (т. е. модулю заряда электрона). Для обозначения протона используют также символ).
В дальнейшем было исследовано взаимодействие а-частиц с ядрами атомов других элементов: бора (В), натрия (Na), алюминия (Аl), магния (Mg) и многих других. В результате выяснилось, что из всех этих ядер α-частицы выбивали протоны. Это давало основания полагать, что протоны входят в состав ядер атомов всех химических элементов.
Открытие протона не давало полного ответа на вопрос о том, из каких частиц состоят ядра атомов. Если считать, что атомные ядра состоят только из протонов, то возникает противоречие.
Покажем на примере ядра атома бериллия (), в чём заключается это противоречие.
Допустим, что ядро состоит только из протонов. Поскольку заряд каждого протона равен одному элементарному заряду, то число протонов в ядре должно быть равно зарядовому числу, в данном случае четырём.
Но если бы ядро бериллия действительно состояло только из четырёх протонов, то его масса была бы приблизительно равна 4 а. е. м. (так как масса каждого протона приблизительно равна 1 а. е. м.).
Однако это противоречит опытным данным, согласно которым масса ядра атома бериллия приблизительно равна 9 а. е. м.
Таким образом, становится ясно, что в ядра атомов помимо протонов входят ещё какие-то частицы.
В связи с этим в 1920 г. Резерфордом было высказано предположение о существовании электрически нейтральной частицы с массой, приблизительно равной массе протона.
В начале 30-х гг. XX в. были обнаружены неизвестные ранее лучи, которые назвали бериллиевым излучением, так как они возникали при бомбардировке α-частицами бериллия.
Джеймс Чедвик (1891-1974)
Английский физик-экспериментатор. Работы в области радиоактивности и ядерной физики. Открыл нейтрон
В 1932 г. английский учёный Джеймс Чедвик (ученик Резерфорда) с помощью опытов, проведённых в камере Вильсона, доказал, что бериллиевое излучение представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Отсутствие у исследуемых частиц электрического заряда следовало, в частности, из того, что они не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. А массу частиц удалось оценить по их взаимодействию с другими частицами.
Эти частицы были названы нейтронами. Точные измерения показали, что масса нейтрона равна 1,0086649 а. е. м., т.е. чуть больше массы протона. Во многих случаях массу нейтрона (как и массу протона) считают равной 1 а. е. м. Поэтому вверху перед символом нейтрона ставят единицу. Нуль внизу означает отсутствие электрического заряда.
Вопросы
- Какой вывод был сделан на основании фотографии треков частиц в камере Вильсона (см. рис. 161)?
- Как иначе называется и каким символом обозначается ядро атома водорода? Каковы его масса и заряд?
- Какое предположение (относительно состава ядер) позволяли сделать результаты опытов по взаимодействию α-частиц с ядрами атомов различных элементов?
- К какому противоречию приводит предположение о том, что ядра атомов состоят только из протонов? Поясните это на примере.
- Как было доказано отсутствие у нейтронов электрического заряда? Как была оценена их масса?
- Как обозначается нейтрон, какова его масса по сравнению с массой протона?
Упражнение 47
Рассмотрите запись ядерной реакции взаимодействия ядер азота и гелия, в результате чего образуются ядра кислорода и водорода. Сравните суммарный заряд взаимодействующих ядер с суммарным зарядом ядер, образованных в результате этого взаимодействия. Сделайте вывод о том, выполняется ли закон сохранения электрического заряда в данной реакции.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.
Описание видеоурока
Атом состоит из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят нуклоны двух видов - это протоны и нейтроны. В 1919 году Резерфорд, изучая физику атомного ядра, первым в истории человечества осуществил искусственное превращение ядер, что и послужило толчком для новых открытий. Он предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия, потому что ядро очень устойчиво, и на него не оказывают влияния высокие температуры, давление, а также электромагнитные поля. Резерфорд также смог экспериментально убедиться в том, что температура, давление и электромагнитное поле не влияют на скорость радиоактивного распада ядра, носителями которой в то время считали а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. Опыт Резерфорда заключался в следующем. Атом азота бомбардировался α-частицами большой энергии, испускаемыми радием. В результате было обнаружено появление протонов — ядер атома водорода. Регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций. Полученные результаты необходимо было подтвердить. Сделать это удалось спустя несколько лет, наблюдая превращение азота в камере Вильсона. Тогда ученые сделали вывод о преобразовании ядра азота:
ЭН 14 -7 в ядро изотопа кислорода 17 - 8 и при этом происходит испускание протона - атома водорода АШ 1 1. Для осуществления этого преобразования одна α -частица из каждых 50 000 α-частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере Вильсона, захватывается ядром азота. На фотографии данного процесса видно разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий — протону. Треки остальных α-частиц прямолинейны, так они не сталкиваются с ядрами азота. Похожие опыты по преобразованию ядер одного элемента в ядра другого под влиянием α-частиц были удачно проведены с ядрами фтора, натрия, алюминия и других элементов. Во всех случаях происходило также и испускание протонов. Проблемы возникли лишь с ядрами тяжелых элементов, которые находятся в конце периодической системы. Они не испытывали превращений, потому что α-частица не могла вплотную приблизиться к ядру, т.к. оно имеет большой электрический положительный заряд.
В 1932 году ученик Резерфорда английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Он бомбардировал бериллий α-частицами. При этом протоны не появлялись, но обнаружилось сильно проникающее излучение, способное преодолеть свинцовую пластину толщиной 10-20 см. Чедвик предположил, что это γ-лучи большой энергии. Работой в этом же направлении занимались и французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они в 1934 году открыли искусственную радиоактивность. Результаты их экспериментов по исследованию излучения бериллия под действием α-частиц имели большое значение для открытия нейтронов. На этом изучение ядра атома не закончилось, а лишь разгоралось с большей силой. В 1939 г Жолио-Кюри со своими коллегами доказал возможность цепной ядерной реакции с освобождением энергии, определил среднее число нейтронов, вылетающих при делении ядра атома урана. Продолжая свои эксперименты супруги Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения, образующегося при бомбардировке бериллия α-частицами, поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения быстро возрастает, потому что излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, которых много в данном водородсодержащем веществе. Протоны были обнаружены с помощью камеры Вильсона, а по длине пробега оценена их энергия. По их мнению, протоны, ускорялись в результате столкновения с -квантами, имеющими огромную энергию — около 55 МэВ (мегаэлектронвольт).
1 мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 миллион электронвольт. Если сравним с температурой 1 эВ примерно 11 6040С Чедвик же, наблюдая в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением, утверждал, что энергия -квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, должна составлять 90 МэВ, а для ядер аргона энергия этих гипотетических -квантов должна составлять 150 МэВ. Результаты этих опытов свидетельствовали о том, что ядра в результате столкновения с безмассовыми частицами приходят в движение, причем одни и те же -кванты будут обладать различной энергией. Это привело ученых в заблуждение, так как получалось что предположение об излучении безмассовых частиц -квантов бериллием неверно, т. е. из бериллия под действием -частиц вылетают какие-то другие достаточно тяжелые частицы, которые при столкновении с протонами или ядрами азота и аргона могли получить большую энергию. Кроме того, эти частицы обладая большой проникающей способностью, не ионизировали газ, а были электрически нейтральными, так как заряженная частица в результате взаимодействия с веществом быстро теряет свою энергию.
Данная частица была названа нейтроном. Массу нейтронов определили по энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с ними. Она оказалась чуть больше массы протона — 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. Масса нейтрона превосходит массу протона на 1, 94 МэВ, то есть больше чем на 2,5 массы или, проще говоря, в 1840 раз больше электрона. Поэтому говорят, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.
В результате попадания -частиц в ядра бериллия происходит реакция превращения бериллия в углерод с выделением нейтрона.
Нейтрон — нестабильная элементарная частица, не имеет электрического заряда. ЭН один ноль — символ нейтрона; заряд равен нулю, а относительная масса —единице. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино — безмассовую нейтральную частицу приблизительно за 15 мин. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы или в 1840 раз. Исследования нейтрона. Шапиро и Эстулин в 1955 году проводя прямые измерения заряда нейтрона по отклонению пучка тепловых нейтронов в электростатическом поле, определили, что заряд нейтрона меньше 6 умножить на 10 в минус 12 степени заряда электрона е. Проверив результаты измерений в лучших условиях коллимации пучка путем отражения от зеркал они получили: заряд равен сумме или разности минус одной целой девяти десятых и трех целых, семи десятых умноженной на 10 в минус 18 степени заряда электрона, т.е. заряд у нейтрона не обнаружен.
Наблюдать распад нейтронов при прохождении их через вещество весьма трудно. Однако его можно наблюдать в вакууме, для этого необходимо пользоваться интенсивными пучками медленных нейтронов.
Определить период полураспада нейтрона удалось в 1950 году. По данным Робсона он оказался 9-25 мин. В последующих работах Робсона дано уточненное значение периода 12,8 ± 2,5 мин.
В 1967 году Христенсен и другие ученые провели новые измерения периода полураспада нейтрона, и получили, что период полураспада равен: 650 плюс минус 10 секунд. Среднее время жизни τ (тау) связано с периодом полураспада соотношением: Период полураспада равен произведению времени жизни нейтрона тау на натуральный логарифм двух, подсчитав натуральный логарифм двух, получаем период полураспада равен 0, 69 умножить на время жизни. Таким образом, среднее время жизни τ (тау) равно 940 плюс минус 15 секунд или примерно 10 в третьей степени секунды.
Сейчас нейтроны очень широко используются. В ядерных реакторах при делении тяжелых ядер урана, под действием нейтронов, выделяется очень большая энергия. Однако этот процесс необходимо контролировать, так как количество энергии может быть настолько велико, что приведет к взрыву. Поэтому на атомных электростанциях применяют замедлители этого процесса.
Возникает вопрос зачем же использовать нейтроны и радиоактивный уран. Ответ прост. Использование урана - помогает сэкономить топливные ресурсы земли, хотя при этом нужны и дополнительные затраты на обеспечение безопасности.
В современном мире ученые стараются найти новое применение элементарным частицам - электронам, нейтронам и протонам. Это коллайдеры, реакторы на быстрых нейтронах.
Строение ядра
Протонно-нейтронная модель ядра
Открытие нейтрона
Трудности электронно-протонной модели ядра
После опытов Резерфорда, теории Бора атома водорода и, наконец, создания квантовой теории атома водорода Шредингером и Гайзенбергом возникла ясная качественная картина устройства атомов. Атом состоит из ядра и движущихся около него электронов. Экспериментальные методы исследования атомных спектров давали богатый материал для изучения электронного строения атома. Темным пятном было устройство ядра.
Первая модель ядра основывалась на знании только двух элементарных частиц - электрона и протона (до 1932 г.). Протоны впервые были получены Резерфордом в реакции
(1)
Эта реакция состояла в том, что a
-частица (ядро атома гелия) налетала на ядро атома азота. В результате чего рождался изотоп кислорода и еще одна частица. Наблюдение треков в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, позволило отождествить эту частицу с ядром атома водорода - простейшим из всех ядер.
В соответствии с этими знаниями предполагалось, что ядра атомов состоят из протонов и электронов. Согласно этой модели атом азота, например, состоял из 7 электронов в электронной оболочке, 14 протонов в ядре и 7 ядерных электронов. Такое представление подкреплялось открытием b - распада ряда ядер. В результате b - распада из ядра вылетал электрон. Но модель стала неприемлемой после открытия существования двух типов тождественных частиц - фермионов и бозонов - и открытия их свойств. По электронно-протонной модели выходило, что атом азота должен быть бозоном, а опытные данные говорили, что он является фермионом. Также не удавалось объяснить значения магнитных моментов атомов и ядер. Кроме того, появилось много опытных данных об излучении ядрами рентгеновских фотонов. Оказалось, что аналогично спектрам излучения атомов, спектры излучения ядер являются линейчатыми, то есть составляющие ядра частицы находятся в состояниях с определенными значениями энергии. Но вот изучение энергетических спектров электронов, возникающих в результате b - распада, показало, что эти спектры непрерывны, и объяснить происхождение этих электронных спектров не удавалось. Ядерный электрон, как и другие частицы ядра, должен был находиться на энергетическом уровне. Вылетающие в результате b - распада электроны также должны были бы иметь определенную энергию, чего не происходило.
Опыты Чедвика. Открытие нейтрона
В 1920 г. Резерфорд высказывал догадку о существовании нейтральной элементарной частицы, образованной в результате слияния электрона и протона. Для проведения экспериментов по обнаружению этой частицы в тридцатых годах в Кавендишскую лабораторию был приглашен Дж.Чедвик. Опыты проходили в течение многих лет. С помощью электрического разряда через водород получались свободные протоны, которыми бомбардировали ядра различных элементов. Расчет был на то, что удастся выбить из ядра искомую частицу и разрушить ее, и по трекам распадных протона и электрона косвенным образом зафиксировать акты выбивания.
В 1930 году Боте и Бекер при облучении a - частицами бериллия обнаружили излучение огромной проникающей способности. Неизвестные лучи проходили через свинец, бетон, песок и т.д. Вначале предполагалось, что это жесткое рентгеновское излучение. Но такое предположение не выдерживало критики. При наблюдении редких актов столкновения с ядрами последние получали такую большую отдачу, для объяснения которой надо было предполагать необыкновенно высокую энергию рентгеновских фотонов.
Чедвик решил, что в опытах Боте и Бекера из бериллия вылетали те нейтральные частицы, которые он пытался обнаружить. Он повторил опыты, надеясь обнаружить теки нейтральных частиц, но безрезультатно. Треки не обнаруживались. Он отложил свои опыты.
Решающим толчком к возобновлению его экспериментов была опубликованная Ирен и Фредериком Жолио-Кюри статья о способности бериллиевого излучения выбивать протоны из парафина (январь 1932 г.). Учитывая результаты Жолио-Кюри, он модифицировал опыты Боте и Бекера. Схема его новой установки показана на рисунке 30. Бериллиевое излучение получалось при рассеянии a
-
частиц на бериллиевой пластинке. На пути излучения помещался парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны.
Сейчас нам известно, что излучение из бериллия представляет собой поток нейтронов. Их масса практически равна массе протона, поэтому большую часть энергии нейтроны передают вылетающим вперед протонам.Выбиваемые из парафина и летящие вперед протоны имели энергию около 5,3 МэВ
. Чедвик сразу отбросил возможность объяснения выбивания протонов эффектом Комптона, так как в этом случае приходилось предполагать, что рассеиваемые на протонах фотоны имеют огромную по тем временам энергию около 50 МэВ
(в то время не были известны источники таких высокоэнергичных фотонов). Поэтому он сделал вывод, что наблюдавшееся взаимодействие происходит по схеме
реакция Жолио-Кюри (2)
В этом опыте не только впервые наблюдались свободные нейтроны, это также первое ядерное превращение - получение углерода при слиянии гелия и бериллия.
