Открытие протона. Открытие нейтрона.

 Открытие протона

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, про­тон 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 были 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, про­тон 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.

 Открытие нейтрона

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 ней­трон – 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

 Свойства нейтрона

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.