Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона

Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.6. Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона

Перша ядерна реакція, яка поклала початок штучному перетворенню ядер, а отже, зробила реальністю мрію алхіміків про перетворення елементів, була здійснена 1919 р. Е. Резерфордом за допомогою α-частинок, що випромінювались полонієм У дослідах Е. Резерфорда джерело α-частинок вміщувалось у спеціальну камеру, яка наповнювалась газом. В одній із стінок камери

було встановлено екран. Попадання частинок на екран спричинювало появу сцинтиляцій, які спостерігались за допомогою мікроскопа. Перед екраном вміщувалась алюмінієва фольга, товщина якої підбиралась такою, щоб вона затримувала а-частинки, випромінювані полонієм. Отже, конструкція установки усувала попадання α-частинок у сцинтиляційний екран. Тим часом при заповненні камери азотом сцинтиляції спостерігались. При заповненні камери киснем або вуглекислим газом сцинтиляцій не було. Появу сцинтиляцій при заповненні камери азотом можна пояснити тим, що дія α-частинок на атоми нітрогену спричинювала появу

нових частинок з великою проникною здатністю. Ретельне вивчення їх в електричному і магнітному полях показало, що ці частинки є протонами, тобто ядрами атома гідрогену. Е. Резерфорд пояснив результат свого досліду тим, що швидка а-частинка проникає в ядро нітрогену і викликає його перетворення в ядро оксигену з викиданням протона. Цю ядерну реакцію можна записати так:

Наступні досліди Е. Резерфорда і Д. Чедвіка показали, що крім ядер атомів нітрогену протони випромінюються під дією швидких α-частинок і ядрами атомів інших легких елементів. Проте важчі ядра не вдалося розщепити α-частинками. Ці ядра мають великий заряд, тому а-частинки не можуть подолати сили відштовхування і наблизитись на відстань, де сили ядерного притягання переважають електростатичне відштовхування.

Для дослідження взаємодії α-частинок з ядрами азоту П. Блекетт створив установку з камерою Вільсона, в якій фотографування треків α-частинок відбувалось автоматично через малі проміжки часу. Під час цих дослідів дістали 23 000 фотографій, на яких зафіксовано близько 400 000 треків α-частинок у нітрогені. Серед них виявилося лише вісім треків, що закінчувались особливими розгалуженнями, які свідчать про руйнування ядер нітрогену, спричинене α-частинками, що влучили в них. Ці розгалуження подвійні: одна з гілок (тонка й довга) є слідом вибитого із ядра протона; друга – більш коротка й товща – слід ядра, утвореного атомом оксигену. Третьої гілки, яка була б слідом α-частинки після її зіткнення з ядром, на жодній з фотографій не виявлено. Це означає, що а-частинка, попадаючи в ядро, припиняє своє існування, а замість неї вилітає протон. Однак ймовірність проникнення α-частинки в ядра навіть відносно легкого атома (нітрогену) дуже мала. Проаналізовану ядерну реакцію (17.16) можна записати ще так: Після відкриття цієї ядерної реакції під дією α-частинок було досліджено дуже багато інших реакцій, і серед них особливе значення має ядерна реакція, яка привела до відкриття нової елементарної частинки – нейтрона.

До початку 30-х років було відомо тільки дві елементарні частинки – електрон і протон. Наприкінці 1930 р. В. Боте і Г. Бекер виявили дуже проникливе випромінювання, яке виникає при бомбардуванні α-частинками ядер легких елементів Ід, Ве, В та ін. Найінтенсивнішим це випромінювання виявилось у берилію. Проходження берилієвого випромінювання через шар свинцю завтовшки 2 см зменшувало його інтенсивність тільки на 13 %. Оскільки на той час уже було відоме γ-випромінювання, для якого властива також велика проникна здатність, В. Боте і Г. Бекер припустили, що берилієве випромінювання є γ-випромінюванням. Виникнення γ-випромінювання пояснювали так: α-частинка, потрапивши в ядро берилію, перетворює його в збуджене ядро 136С, яке, переходячи в нормальний стан, випромінює жорсткий γ-квант. За поглинанням цього випромінювання було оцінено енергію γ-квантів, яка виявилась близькою до 7 МеВ. Проте подальше вивчення властивостей берилієвого випромінювання змусило відмовитись від зроблених припущень щодо його природи.

Велику роль при цьому відіграли дослідження, проведені І. Жоліо-Кюрі і Ф. Жоліо-Кюрі. Так, у 1931 р. вони встановили, що берилієве випромінювання, проходячи через речовини, що містять водень (наприклад, парафін), зумовлює інтенсивне вибивання протонів із пробігом у повітрі завдовжки 26 см. Проведені розрахунки показали, що для одержання таких протонів γ-кванти повинні мати енергію не 7 МеВ, а 55 МеВ. Далі виявилось, що берилієве випромінювання спричинює появу ядер віддачі в нітрогені, аргоні і навіть криптоні. За пробігом ядер віддачі розрахували енергію γ-квантів і дістали для нітрогену значення 90 МеВ, для аргону – 150 МеВ. Отже, спроби тлумачити це випромінювання як дуже жорстке γ-випромінювання привели до суперечностей. Однак усі суперечності зникли, коли англійський фізик Д. Чедвік 1932 р. припустив, що берилієве випромінювання є потоком частинок, які мають масу, близьку до маси протона, але позбавлені електричного заряду. Ці частинки було названо нейтронами. Ефективним джерелом нейтронів є берилієва мішень, яку опромінюють α-частинками радію. Найпотужнішими джерелами нейтронів є ядерні реактори.

Реакцію утворення нейтронів при бомбардуванні берилію α-частинками можна записати так:

При вивченні властивостей нейтрона було встановлено, що його маса трохи більша за масу протона. Маса нейтрона mn = 1,0086649 а. о. м., тоді як маса протона mр =1,007276 а. о. м.

Відкриття Д. Чедвіком нейтрона сприяло подальшому розвитку фізики атомного ядра, оскільки воно надало вченим інструмент для вивчення властивостей ядра і здійснення нових ядерних реакцій. З ним пов’язане і формулювання гіпотези про протонно-нейтронний склад ядра.