Открытие нейтрона - Discovery of the neutron

Джеймс Чедвик на Сольвейской конференции 1933 года. Чедвик открыл нейтрон годом ранее, работая в Кавендишской лаборатории .

Открытие нейтрона и его свойства занимает центральное место в экстраординарных событий в атомной физике в первой половине 20 - го века. В начале века, Эрнест Резерфорд разработал грубую модель атома, на основе эксперимента золотой фольги в Гейгер и Эрнест Марсден . В этой модели масса и положительный электрический заряд атомов сосредоточены в очень маленьком ядре . К 1920 году были открыты химические изотопы , атомные массы были определены как (приблизительно) целые кратные массы атома водорода , а атомный номер был определен как заряд ядра. На протяжении 1920-х годов ядро ​​рассматривалось как состоящее из комбинации протонов и электронов , двух элементарных частиц, известных в то время, но эта модель представляла несколько экспериментальных и теоретических противоречий.

Сущность атомного ядра была установлена ​​с открытием нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году и определением того, что это новая элементарная частица, отличная от протона.

Незаряженные нейтроны были немедленно использованы в качестве нового средства для исследования структуры ядра, что приводит к таким открытиям , как создание новых радиоактивных элементов с помощью нейтронного облучения (1934) и деления на урановые атомы нейтронов (1938). Открытие деления привело к созданию как ядерной энергии, так и ядерного оружия к концу Второй мировой войны. И протон, и нейтрон считались элементарными частицами до 1960-х годов, когда было определено, что они представляют собой составные частицы, построенные из кварков .

Открытие радиоактивности

В начале 20-го века горячие дебаты о существовании атомов еще не были разрешены. Такие философы, как Эрнст Мах и Вильгельм Оствальд, отрицали реальность атомов, рассматривая их как удобную математическую конструкцию, в то время как такие ученые, как Арнольд Зоммерфельд и Людвиг Больцманн, видели, что физические теории требуют существования атомов.

Радиоактивность была обнаружена в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем во время работы с фосфоресцентными материалами. В 1898 году Эрнест Резерфорд из Кавендишской лаборатории выделил два типа радиоактивности, альфа-лучи и бета-лучи , которые различались по своей способности проникать или проникать в обычные объекты или газы. Два года спустя Поль Виллар открыл гамма- лучи, которые обладали еще большей проникающей способностью. Эти излучения вскоре были идентифицированы с известными частицами: в 1902 году Вальтер Кауфманн показал, что бета-лучи являются электронами ; Резерфорд и Томас Ройдс в 1907 году показали, что альфа-лучи являются ионами гелия ; и гамма-лучи были показаны как электромагнитное излучение, то есть форма света , Резерфорд и Эдвард Андраде в 1914 году. Эти излучения также были идентифицированы как исходящие от атомов, следовательно, они предоставили ключ к разгадке процессов, происходящих внутри атомов. И наоборот, излучения также были признаны инструментами, которые можно было использовать в экспериментах по рассеянию для исследования внутренней части атомов.

Эксперимент с золотой фольгой и открытие атомного ядра

Схематическое из ядра атома индикации
β-
излучение, испускание быстрого электрона из ядра (сопутствующий антинейтрино опущен). В модели ядра Резерфорда красные сферы были протонами с положительным зарядом, а синие сферы - протонами, прочно связанными с электроном без общего заряда.
На вставке показан бета-распад свободного нейтрона в его современном понимании; в этом процессе создаются электрон и антинейтрино.

В Манчестерском университете между 1908 и 1913 годами Резерфорд руководил Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в серии экспериментов, чтобы определить, что происходит, когда альфа-частицы разлетаются от металлической фольги. Эти измерения, которые теперь называются экспериментом с золотой фольгой Резерфорда или экспериментом Гейгера-Марсдена, сделали необычайное открытие, что альфа-частицы иногда рассеиваются под большим углом при прохождении через тонкую золотую фольгу. Рассеяние показало, что альфа-частицы отклоняются небольшой, но плотной составляющей атомов. Основываясь на этих измерениях, к 1911 году Резерфорду стало очевидно, что атом состоит из небольшого массивного ядра с положительным зарядом, окруженного гораздо большим облаком отрицательно заряженных электронов . Концентрированная атомная масса требовалась для обеспечения наблюдаемого отклонения альфа-частиц, и Резерфорд разработал математическую модель, объясняющую рассеяние.

Модель Резерфорда была очень влиятельной, мотивировав модель Бора для электронов, вращающихся вокруг ядра в 1913 году, и в конечном итоге привела к квантовой механике к середине 1920-х годов.

Открытие изотопов

Одновременно с работами Резерфорда, Гейгера и Марсдена радиохимик Фредерик Содди из Университета Глазго изучал химические проблемы радиоактивных материалов. Содди работал с Резерфордом над радиоактивностью в Университете Макгилла . К 1910 году около 40 различных радиоактивных элементов, называемых радиоэлементами , были идентифицированы между ураном и свинцом, хотя периодическая таблица допускала только 11 элементов. Содди и Казимеж Фаянс независимо друг от друга обнаружили в 1913 году, что элемент, подвергающийся альфа-распаду, будет производить элемент на два места левее в периодической системе, а элемент, претерпевающий бета-распад, будет производить элемент на одно место правее в периодической системе. Кроме того, те радиоэлементы, которые находятся в одних и тех же местах периодической системы, химически идентичны. Содди назвал эти химически идентичные элементы изотопами . За исследования радиоактивности и открытие изотопов Содди был удостоен Нобелевской премии по химии 1921 года.

Реплика третьего масс-спектрометра Aston

Строительство с работы Томсон на прогиб положительно заряженных атомов электрических и магнитных полей, Фрэнсис Астон построил первый масс - спектрограф в Кавендишской лаборатории в 1919 г. Его цель, которую он легко достигнуто, было разделение двух изотопов неона ,20
Ne
а также 22
Ne
. Астон обнаружил, что массы всех частиц являются целыми числами ( правило целых чисел ): то есть массы всех изотопов являются целыми числами, кратными массе атома водорода . В этих измерениях Астон произвольно вычислил свою массу относительно кислорода-16 , который, как он решил, имел массу ровно 16. (Сегодня атомная единица массы (а.е.м.) относится к углероду-12 ). По иронии судьбы, единственное исключение из этого правила. правилом был сам водород, имеющий значение массы 1,008. Избыточная масса была небольшой, но выходила далеко за пределы экспериментальной неопределенности. Астон и другие быстро поняли, что несоответствие происходит из-за энергии связи атомов, то есть масса ряда атомов водорода, связанных в один атом, должна быть меньше суммы масс отдельных атомов водорода. Работа Астона по изотопам принесла ему Нобелевскую премию 1922 года по химии за открытие изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел. Отмечая недавнее открытие Астоном энергии связи ядер, в 1920 году Артур Эддингтон предположил, что звезды могут получать свою энергию путем слияния водорода (протонов) в гелий и что более тяжелые элементы могут образовываться в звездах.

Атомный номер и закон Мозли

Резерфорд и другие отметили несоответствие между массой атома, вычисленной в атомных единицах массы, и приблизительным зарядом, требуемым на ядре для работы модели Резерфорда. Требуемый заряд атомного ядра обычно составлял около половины его атомной массы. Антониус ван ден Брук смело предположил, что требуемый заряд, обозначенный Z , не был половиной атомного веса элементов, а вместо этого был точно равен порядковому положению элемента в периодической таблице . В то время не было известно, что расположение элементов в периодической таблице имеет какое-либо физическое значение. Однако, если элементы были упорядочены на основе увеличения атомной массы, периодичность в химических свойствах проявлялась. Однако исключения из этой периодичности были очевидны, например, кобальт и никель.

В 1913 году в Манчестерском университете Генри Мозли обсуждал новую модель атома Бора с посетившим его Бором. Модель учитывала спектр электромагнитного излучения атома водорода, и Мозли и Бор задавались вопросом, будут ли спектры электромагнитного излучения более тяжелых элементов, таких как кобальт и никель, следовать их порядку по весу или по их положению в периодической таблице. В 1913-1914 годах Мозли проверил этот вопрос экспериментально, применив методы дифракции рентгеновских лучей . Он обнаружил , что наиболее интенсивная коротковолновая линия в рентгеновском спектре конкретного элемента, известный как К-альфа линия, была связана с положением элемента в периодической таблице, то есть, его атомный номер, Z . Действительно, Мозли ввел эту номенклатуру. Мозли обнаружил, что частоты излучения просто связаны с атомным номером элементов для большого числа элементов.

В течение года было отмечено, что уравнение для связи, теперь называемое законом Мозли , может быть объяснено в терминах модели Бора 1913 года с разумными дополнительными предположениями об атомной структуре в других элементах. Результат Мозли, согласно более позднему описанию Бора, не только установил атомный номер как измеримую экспериментальную величину, но и придал ему физический смысл как положительный заряд на атомном ядре. Элементы могут быть упорядочены в периодической системе в порядке атомного номера, а не атомного веса. Результат соединил воедино организацию периодической таблицы, модель Бора для атома и модель Резерфорда для альфа-рассеяния на ядрах. Резерфорд, Бор и другие назвали это важным достижением в понимании природы атомного ядра.

Дальнейшие исследования в области атомной физики были прерваны началом Первой мировой войны . Мозли был убит в 1915 году в битве при Галлиполи , в то время как ученик Резерфорда Джеймс Чедвик был интернирован в Германии на время войны 1914–1918 годов. В Берлине была прервана исследовательская работа Лизы Мейтнер и Отто Хана по определению цепочек радиоактивного распада радия и урана путем точного химического разделения. Мейтнер провела большую часть войны, работая радиологом и медицинским рентгенологом недалеко от австрийского фронта, в то время как Хан, химик , работал над исследованиями в области войны с отравляющими газами .

Атом Резерфорда

Эрнест Резерфорд

В 1920 году Резерфорд прочитал в Королевском обществе бейкерскую лекцию под названием «Ядерное строение атомов», в которой был кратко изложены результаты недавних экспериментов с атомными ядрами и выводы относительно структуры атомных ядер. К 1920 году существование электронов в атомном ядре было широко распространено. Предполагалось, что ядро ​​состоит из ядер водорода в количестве, равном массе атома. Но поскольку каждое ядро ​​водорода имело заряд +1, ядру требовалось меньшее количество «внутренних электронов», каждый с зарядом -1, чтобы дать ядру его правильный полный заряд. Масса протонов примерно в 1800 раз больше, чем масса электронов, поэтому масса электронов случайна в этом вычислении. Такая модель соответствовала рассеянию альфа-частиц на тяжелых ядрах, а также заряду и массе многих идентифицированных изотопов. У протон-электронной модели были и другие мотивы. Как заметил в то время Резерфорд, «у нас есть веские основания полагать, что ядра атомов содержат электроны, а также положительно заряженные тела ...», а именно, было известно, что бета-излучение - это электроны, испускаемые ядром.

В этой лекции Резерфорд высказал предположение о существовании новых частиц. Было известно, что альфа-частица очень стабильна, и предполагалось, что она сохраняет свою идентичность в ядре. Предполагалось, что альфа-частица состоит из четырех протонов и двух тесно связанных электронов, что дает ей заряд +2 и массу 4. В статье 1919 года Резерфорд сообщил об очевидном открытии новой двухзарядной частицы с массой 3, обозначенной X ++, интерпретируется как состоящий из трех протонов и тесно связанного электрона. Этот результат подсказал Резерфорду вероятное существование двух новых частиц: одной из двух протонов с тесно связанным электроном, а другой - из одного протона и тесно связанного электрона. Позже было установлено, что частица X ++ имеет массу 4 и является просто альфа-частицей с низкой энергией. Тем не менее Резерфорд предположил существование дейтрона, заряженной частицы +1 с массой 2, и нейтрона, нейтральной частицы с массой 1. Первое - это ядро дейтерия , обнаруженное в 1931 году Гарольдом Ури . Масса гипотетической нейтральной частицы будет мало отличаться от массы протона. Резерфорд определил, что такую ​​частицу с нулевым зарядом будет трудно обнаружить имеющимися методами.

К 1921 году Резерфорд и Уильям Харкинс независимо друг от друга назвали незаряженную частицу нейтроном , и примерно в то же время слово протон было принято для обозначения ядра водорода. Neutron, по-видимому, был построен из латинского корня, обозначающего нейтральный, и греческого окончания -on (путем имитации электрона и протона ). Однако упоминания слова нейтрон в связи с атомом можно найти в литературе еще в 1899 году.

Резерфорд и Чедвик немедленно начали экспериментальную программу в Кавендишской лаборатории в Кембридже по поиску нейтрона. Эксперименты продолжались в течение 1920-х годов, но безуспешно.

Гипотеза Резерфорда не получила широкого признания. В 1931 г. в монографии по Конституции атомного ядра и радиоактивность , Джордж Гамов , затем в Институте теоретической физики в Копенгагене, не говоря уже о нейтрон. Во время своих измерений в Париже в 1932 году, которые должны были привести к открытию нейтрона, Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио не знали об этой гипотезе.

Проблемы гипотезы ядерных электронов

На протяжении 1920-х годов физики предполагали, что атомное ядро ​​состоит из протонов и «ядерных электронов». Согласно этой гипотезе, ядро азота-14 ( 14 N) будет состоять из 14 протонов и 7 электронов, так что оно будет иметь чистый заряд +7 элементарных единиц заряда и массу 14 атомных единиц массы. Это ядро ​​также будет вращаться вокруг еще 7 электронов, названных Резерфордом «внешними электронами», чтобы завершить атом 14 N. Однако вскоре стали очевидны проблемы с гипотезой.

Ральф Крониг указал в 1926 году, что наблюдаемая сверхтонкая структура атомных спектров несовместима с протон-электронной гипотезой. Эта структура вызвана влиянием ядра на динамику вращающихся электронов. Магнитные моменты предполагаемых «ядерных электронов» должны вызывать сверхтонкие расщепления спектральных линий, подобные эффекту Зеемана , но таких эффектов не наблюдалось. Казалось, что магнитный момент электрона исчезает, когда он находится внутри ядра.

В то время как на посещение Утрехтского университета в 1928 году, Крониг узнал о неожиданном аспекте вращательного спектра N 2 + . Прецизионные измерения, сделанные Леонардом Орнштейном , директором Утрехтской физической лаборатории, показали, что спин ядра азота должен быть равен единице. Однако, если ядро азота-14 ( 14 N) состоит из 14 протонов и 7 электронов, нечетное число частиц со спином 1/2, то результирующий ядерный спин должен быть полуцелым. Поэтому Крониг предположил, что, возможно, «протоны и электроны не сохраняют свою идентичность в той степени, в которой они сохраняют свою идентичность вне ядра».

Наблюдения вращательных уровней энергии двухатомных молекул с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с Franco Разетти в 1929 году были несовместимы со статистикой , ожидаемой от протона-электронной гипотезы. Разетти получил полосовые спектры молекул H 2 и N 2 . В то время как линии для обеих двухатомных молекул демонстрировали чередование интенсивности между светлым и темным, картина чередования для H 2 противоположна таковой для N 2 . После тщательного анализа этих экспериментальных результатов немецкие физики Вальтер Хайтлер и Герхард Герцберг показали, что ядра водорода подчиняются статистике Ферми, а ядра азота подчиняются статистике Бозе. Однако неопубликованный тогда результат Юджина Вигнера показал, что составная система с нечетным числом частиц со спином 1/2 должна подчиняться статистике Ферми; система с четным числом частиц со спином 1/2 подчиняется статистике Бозе. Если бы в ядре азота была 21 частица, оно должно было бы подчиняться статистике Ферми, вопреки действительности. Таким образом, Гейтлер и Герцберг пришли к выводу: «электрон в ядре ... теряет способность определять статистику ядра».

Клейн парадокс , обнаруженный Oskar Klein в 1928 году, представлены далее квантовой механики возражения к понятию электрона ограниченного внутри ядра. Полученный из уравнения Дирака , этот ясный и точный парадокс предполагает, что электрон, приближающийся к высокому потенциальному барьеру, имеет высокую вероятность прохождения через барьер в процессе создания пары . По-видимому, электрон не может удерживаться внутри ядра какой-либо потенциальной ямой. Смысл этого парадокса в то время активно обсуждался.

Примерно к 1930 году было общепризнано, что трудно согласовать протон-электронную модель ядер с соотношением неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике. Это соотношение, Δ x ⋅Δ p 12 ħ , означает, что электрон, ограниченный областью размером с атомное ядро, обычно имеет кинетическую энергию не менее 40 МэВ, что больше наблюдаемой энергии испускаемых бета-частиц. из ядра. Такая энергия также намного больше, чем энергия связи нуклонов, которая, как показали Астон и другие, меньше 9 МэВ на нуклон.

В 1927 году Чарльз Эллис и У. Вустер из Кавендишской лаборатории измерили энергии электронов β-распада. Они обнаружили, что распределение энергии от любого конкретного радиоактивного ядра было широким и непрерывным, что заметно контрастировало с различными значениями энергии, наблюдаемыми при альфа- и гамма-распаде. Кроме того, непрерывное распределение энергии, казалось, указывало на то, что энергия не сохраняется в процессе "ядерных электронов". Действительно, в 1929 году Бор предложил изменить закон сохранения энергии, чтобы учесть непрерывное распределение энергии. Предложение получило поддержку Вернера Гейзенберга. Такие соображения, по-видимому, были разумными, поскольку законы квантовой механики совсем недавно перевернули законы классической механики.

Хотя все эти соображения не «доказывали», что электрон не может существовать в ядре, они сбивали с толку физиков и затрудняли их интерпретацию. Было изобретено множество теорий, чтобы объяснить, почему приведенные выше аргументы могут быть ошибочными. В своей монографии 1931 года Гамов резюмировал все эти противоречия, пометив утверждения об электронах в ядре предупреждающими символами.

Открытие нейтрона

В 1930 году Вальтер Боте и Герберт Беккер из Гиссена , Германия, обнаружили, что если энергичные альфа-частицы, испускаемые полонием, падают на определенные легкие элементы, в частности, бериллий (9
4
Быть
), бор (11
5
B
) или лития (7
3
Ли
) возникло необычно проникающее излучение. Бериллий производил наиболее интенсивное излучение. Полоний очень радиоактивен, производит сильное альфа-излучение, и в то время его обычно использовали для экспериментов по рассеянию. На альфа-излучение может влиять электрическое поле, поскольку оно состоит из заряженных частиц. Однако на наблюдаемое проникающее излучение не влияло электрическое поле, поэтому считалось, что это гамма-излучение . Излучение было более проникающим, чем любые известные гамма-лучи, и детали экспериментальных результатов было трудно интерпретировать.

Схематическая диаграмма эксперимента, использованного для открытия нейтрона в 1932 году. Слева, источник полония использовался для облучения бериллия альфа-частицами, которые индуцировали незаряженное излучение. Когда это излучение попадает в парафиновый воск, происходит выброс протонов. Протоны наблюдались с помощью небольшой ионизационной камеры. По материалам Chadwick (1932).

Два года спустя Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио в Париже показали, что если это неизвестное излучение попадет на парафин или любое другое водородсодержащее соединение, оно испустит протоны очень высокой энергии (5 МэВ). Это наблюдение само по себе не противоречило предполагаемой природе гамма-излучения нового излучения, но такая интерпретация ( комптоновское рассеяние ) имела логические проблемы. С точки зрения энергии и импульса, гамма-луч должен обладать невероятно высокой энергией (50 МэВ), чтобы рассеять массивный протон. В Риме молодой физик Этторе Майорана заявил, что способ взаимодействия нового излучения с протонами требует новой нейтральной частицы.

Узнав о результатах в Париже, ни Резерфорд, ни Джеймс Чедвик из Кавендишской лаборатории не поверили гипотезе гамма-лучей. С помощью Нормана Фезера Чедвик быстро провел серию экспериментов, показавших несостоятельность гипотезы гамма-лучей. В прошлом году Чедвик, Дж.Э.Р. Констебль и Е.К. Поллард уже провели эксперименты по разложению легких элементов с использованием альфа-излучения полония. Они также разработали более точные и эффективные методы обнаружения, подсчета и регистрации выброшенных протонов. Чедвик повторил создание излучения с использованием бериллия для поглощения альфа-частиц: 9 Be + 4 He (α) → 12 C + 1 n. После парижского эксперимента он направил излучение на парафиновый воск, углеводород с высоким содержанием водорода, что позволило создать мишень, насыщенную протонами. Как и в парижском эксперименте, излучение энергетически рассеяло часть протонов. Чедвик измерил пробег этих протонов, а также измерил, как новое излучение воздействует на атомы различных газов. Он обнаружил, что новое излучение состоит не из гамма-лучей, а из незаряженных частиц с массой примерно такой же, как у протона . Эти частицы были нейтронами. За это открытие Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

1932 год позже был назван " annus mirabilis " для ядерной физики в Кавендишской лаборатории, когда были открыты нейтрон, искусственный ядерный распад ускорителем частиц Кокрофта-Уолтона и позитрон .

Протонно-нейтронная модель ядра.

Модели, изображающие уровни энергии ядра и электронов в атомах водорода, гелия, лития и неона. На самом деле диаметр ядра примерно в 100 000 раз меньше диаметра атома.

Учитывая проблемы протон-электронной модели , было быстро принято, что атомное ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, хотя точная природа нейтрона изначально была неясной. Через несколько месяцев после открытия нейтрона Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронные модели ядра. Знаменательные статьи Гейзенберга подошли к описанию протонов и нейтронов в ядре с помощью квантовой механики. Хотя теория Гейзенберга для протонов и нейтронов в ядре была «важным шагом к пониманию ядра как квантово-механической системы», он все же предполагал наличие ядерных электронов. В частности, Гейзенберг предположил, что нейтрон представляет собой смесь протон-электрон, для которой нет квантово-механического объяснения. Гейзенберг не объяснил, как легкие электроны могут быть связаны внутри ядра. Гейзенберг представил первую теорию ядерных обменных сил, связывающих нуклоны. Он считал протоны и нейтроны разными квантовыми состояниями одной и той же частицы, т. Е. Нуклонами, различающимися величиной их ядерных квантовых чисел изоспина .

Протонно-нейтронная модель объяснила загадку диазота. Когда было предложено, чтобы 14 N состояло из 3 пар протонов и нейтронов каждая, с дополнительным неспаренным нейтроном и протоном, каждый из которых вносил спин 12  ħ в том же направлении для общего спина 1, модель стала жизнеспособной. Вскоре нейтроны были использованы для естественного объяснения различий спинов во многих различных нуклидах одним и тем же способом.

Если протон-нейтронная модель ядра решила многие вопросы, она высветила проблему объяснения происхождения бета-излучения. Никакая существующая теория не могла объяснить, как электроны или позитроны могут исходить из ядра. В 1934 году Энрико Ферми опубликовал свою классическую статью, описывающую процесс бета-распада , в котором нейтрон распадается на протон, создавая электрон и (пока еще не открытое) нейтрино . В статье использовалась аналогия, согласно которой фотоны или электромагнитное излучение аналогичным образом создавались и разрушались в атомных процессах. Иваненко предложил подобную аналогию в 1932 году теория Ферми требует нейтрона быть спин- 1 / 2 частицами. Теория сохранила принцип сохранения энергии, который был поставлен под сомнение из-за непрерывного распределения энергии бета-частиц. Основная теория бета-распада, предложенная Ферми, была первой, которая показала, как частицы могут создаваться и разрушаться. Он установил общую, базовую теорию взаимодействия частиц слабыми или сильными силами. Хотя эта влиятельная статья выдержала испытание временем, идеи в ней были настолько новыми, что, когда она была впервые представлена ​​в журнале Nature в 1933 году, она была отклонена как слишком умозрительная.

Природа нейтрона

Седьмая Сольвеевская конференция, 1933 г.

Вопрос о том, был ли нейтрон составной частицей протона и электрона, сохранялся в течение нескольких лет после его открытия. В 1932 году Харри Мэсси исследовал модель составного нейтрона, чтобы объяснить, например, его огромную проникающую способность через материю и его электрическую нейтральность. Проблема была унаследована от преобладающего мнения 1920-х годов о том, что единственными элементарными частицами были протон и электрон.

Природа нейтрона была основной темой обсуждения на 7-й Сольвеевской конференции, состоявшейся в октябре 1933 года, на которой присутствовали Гейзенберг, Нильс Бор , Лиз Мейтнер , Эрнест Лоуренс , Ферми, Чедвик и другие. Как сформулировал Чедвик в своей Бейкерской лекции в 1933 году, основным вопросом была масса нейтрона по отношению к протону. Если бы масса нейтрона была меньше, чем объединенные массы протона и электрона (1.0078  u ), то нейтрон может быть протон-электронным составом из-за дефекта массы из-за энергии связи ядра . Если больше, чем объединенные массы, то нейтрон был элементарным, как протон. На этот вопрос было сложно ответить, потому что масса электрона составляет всего 0,05% от массы протона, поэтому требовались исключительно точные измерения.

Сложность измерения иллюстрируется широким диапазоном значений массы нейтрона, полученными с 1932 по 1934 год. Принятое сегодня значение 1,008 66  у . В статье Чедвика 1932 года, сообщающей об открытии, он оценил массу нейтрона между1.005  u и1,008  у . Бомбардируя бор альфа-частицами, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри получили высокое значение1,012  ед. , В то время как команда Эрнеста Лоуренса из Калифорнийского университета измерила небольшое значение1.0006  u на новом циклотроне .

В 1935 году Чедвик и его докторант Морис Голдхабер решили проблему, сообщив о первом точном измерении массы нейтрона. Они использовали гамма-излучение таллия- 208 ( 208 Tl) с энергией 2,6 МэВ (тогда известного как торий C " ) для фотораспада дейтрона.

2
1
D
 

γ
 
→  1
1
ЧАС
 

п

В этой реакции образующиеся протон и нейтрон имеют примерно одинаковую кинетическую энергию, поскольку их массы примерно равны. Кинетическая энергия образовавшегося протона могла быть измерена (0,24 МэВ), и, следовательно, могла быть определена энергия связи дейтрона (2,6 МэВ - 2 (0,24 МэВ) = 2,1 МэВ, или0,0023  ед. ). Тогда массу нейтрона можно было бы определить с помощью простого баланса масс.

м д  быть  знак равно  м п  m n

где m d, p, n относятся к массе дейтрона, протона или нейтрона, а be - энергия связи. Массы дейтрона и протона были известны; Чедвик и Голдхабер использовали значения 2,0142 ед. И 1,0081 ед. Соответственно. Они обнаружили, что масса нейтрона была немного больше массы протона.1.0084  u или1.0090  u , в зависимости от точного значения массы дейтрона. Масса нейтрона была слишком большой для протон-электронного соединения, поэтому нейтрон был идентифицирован как элементарная частица. Чедвик и Голдхабер предсказали, что свободный нейтрон сможет распадаться на протон, электрон и нейтрино ( бета-распад ).

Нейтронная физика в 1930-е годы

Вскоре после открытия нейтрона косвенные свидетельства показали, что у нейтрона было неожиданное ненулевое значение магнитного момента. Попытки измерить магнитный момент нейтрона начались с открытия Отто Штерном в 1933 году в Гамбурге, что протон имеет аномально большой магнитный момент. К 1934 году группы под руководством Стерна, ныне находящегося в Питтсбурге , и И. И. Раби в Нью-Йорке, независимо друг от друга пришли к выводу, что магнитный момент нейтрона отрицательный и неожиданно большой, путем измерения магнитных моментов протона и дейтрона . Значения магнитного момента нейтрона были также определены Робертом Бахером (1933) в Анн-Арборе и И. Я. Таммом и С. А. Альтшулером (1934) в Советском Союзе на основе исследований сверхтонкой структуры атомных спектров. К концу 1930-х точные значения магнитного момента нейтрона были получены группой Раби с использованием измерений с использованием недавно разработанных методов ядерного магнитного резонанса . Большое значение магнитного момента протона и предполагаемое отрицательное значение магнитного момента нейтрона были неожиданными и вызвали много вопросов.

Ферми и его ученики ( мальчики с Виа Панисперна ) во дворе Физического института Римского университета на Виа Панисперна, около 1934 года. Слева направо: Оскар Д'Агостино , Эмилио Сегре , Эдоардо Амальди , Франко Разетти и Ферми

Открытие нейтрона немедленно дало ученым новый инструмент для исследования свойств атомных ядер. Альфа-частицы использовались в предыдущие десятилетия в экспериментах по рассеянию, но такие частицы, являющиеся ядрами гелия, имеют заряд +2. Этот заряд мешает альфа-частицам преодолевать кулоновскую силу отталкивания и напрямую взаимодействовать с ядрами атомов. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, им не нужно преодолевать эту силу, чтобы взаимодействовать с ядрами. Почти одновременно с его открытием нейтроны были использованы Норманом Фезером , коллегой и протеже Чедвика, в экспериментах по рассеянию с помощью азота. Фезеру удалось показать, что нейтроны, взаимодействующие с ядрами азота, рассеиваются на протоны или заставляют азот распадаться с образованием бора с испусканием альфа-частицы. Таким образом, Фезер был первым, кто показал, что нейтроны вызывают распад ядер.

В Риме Энрико Ферми и его команда бомбардировали более тяжелые элементы нейтронами и обнаружили, что продукты радиоактивны. К 1934 году они использовали нейтроны, чтобы вызвать радиоактивность в 22 различных элементах, многие из которых имеют высокий атомный номер. Заметив, что другие эксперименты с нейтронами в его лаборатории, казалось, лучше работают на деревянном столе, чем на мраморном, Ферми подозревал, что протоны дерева замедляют нейтроны и тем самым увеличивают вероятность взаимодействия нейтрона с ядрами. Поэтому Ферми пропустил нейтроны через парафин, чтобы замедлить их, и обнаружил, что радиоактивность некоторых бомбардируемых элементов увеличилась в десятки и сотни раз. Сечение взаимодействия с ядрами гораздо больше для медленных нейтронов , чем для быстрых нейтронов. В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике «за демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, а также за связанное с ним открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами» .

Лиз Мейтнер и Отто Хан в своей лаборатории в 1913 году.
Деление ядра, вызванное поглощением нейтрона ураном-235. Тяжелые нуклиды распадаются на более легкие компоненты и дополнительные нейтроны.

В Берлине сотрудничество Лиз Мейтнер и Отто Хана вместе со своим ассистентом Фрицем Штрассманном способствовало исследованию, начатому Ферми и его командой, когда они бомбардировали уран нейтронами. Между 1934 и 1938 годами Хан, Мейтнер и Штрассманн обнаружили в этих экспериментах большое количество радиоактивных продуктов трансмутации, которые они считали трансурановыми . Трансурановые нуклиды - это те, которые имеют атомный номер больше, чем уран (92), образованные в результате поглощения нейтронов; такие нуклиды не встречаются в природе. В июле 1938 года Мейтнер была вынуждена избежать антисемитских преследований в нацистской Германии после аншлюса , и ей удалось получить новую должность в Швеции. Решающий эксперимент 16-17 декабря 1938 г. (с использованием химического процесса, называемого « фракционирование радий-барий-мезоторий ») дал загадочные результаты: то, что они понимали как три изотопа радия, вместо этого постоянно вел себя как барий . Радий (атомный номер 88) и барий (атомный номер 56) находятся в одной химической группе . К январю 1939 года Хан пришел к выводу, что то, что они считали трансурановыми нуклидами, было гораздо более легкими нуклидами, такими как барий, лантан , церий и легкие платиноиды . Мейтнер и ее племянник Отто Фриш сразу же правильно интерпретировали эти наблюдения как результат ядерного деления - термин, введенный Фришем.

Хан и его сотрудники обнаружили расщепление ядер урана, ставшее нестабильным из-за поглощения нейтронов, на более легкие элементы. Мейтнер и Фриш также показали, что при делении каждого атома урана выделяется около 200 МэВ энергии. Открытие деления наэлектризовало мировое сообщество физиков-атомщиков и общественность. Во второй публикации о делении ядер Хан и Штрассманн предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления. Фредерик Жолио и его команда доказали, что это явление является цепной реакцией в марте 1939 года. В 1945 году Хан получил Нобелевскую премию 1944 года по химии «за открытие деления тяжелых атомных ядер».

После 1939 г.

Испытание Тринити Манхэттенского проекта в 1945 году привело к взрыву первой атомной бомбы.

Открытие ядерного деления в конце 1938 года ознаменовало смещение центров ядерных исследований из Европы в Соединенные Штаты. Большое количество ученых мигрировало в Соединенные Штаты, чтобы избежать проблем и антисемитизма в Европе и надвигающейся войны (см. « Еврейские ученые и Манхэттенский проект» ). Новыми центрами ядерных исследований стали университеты США, в частности Колумбийский университет в Нью-Йорке и Чикагский университет, куда переехал Энрико Ферми, а также секретный исследовательский центр в Лос-Аламосе , штат Нью-Мексико , основанный в 1942 году. из Манхэттенского проекта . Этот проект военного времени был сосредоточен на создании ядерного оружия , использующего огромную энергию, выделяемую при делении урана или плутония посредством цепных реакций на основе нейтронов.

Открытия нейтрона и позитрона в 1932 году положили начало открытию многих новых частиц. Мюоны были открыты в 1936 году. Пионы и каоны были открыты в 1947 году, а лямбда-частицы были открыты в 1950 году. На протяжении 1950-х и 1960-х годов было обнаружено большое количество частиц, называемых адронами . Схема классификации для организации всех этих частиц, независимо предложенная Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году, стала известна как кварковая модель . Согласно этой модели, частицы, такие как протон и нейтрон, не были элементарными, а состояли из различных конфигураций небольшого числа других действительно элементарных частиц, называемых партонами или кварками . Модель кварка получила экспериментальное подтверждение, начиная с конца 1960-х годов, и наконец дала объяснение аномальному магнитному моменту нейтрона.

Видео

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение