Нейтрону - 90 лет

Владимир Рычин, AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 21.04.2022

В феврале этого года исполнилось 90 лет со дня открытия нейтрона. Первооткрывателем считается (и по праву!) английский физик Джеймс Чедвик.

Но если быть точным, то заслуга Чедвика заключается даже не в том, что он открыл нейтрон, а в том, что он правильно понял, что именно открыл.

История названия

Историю открытия нейтрона принято отсчитывать от лекции Эрнеста Резерфорда, прочитанной в 1920 году. На самом деле, термин "нейтрон" в научной литературе появился намного раньше.

Историки науки и энтузиасты обнаружили первое упоминание о нейтроне в статье, опубликованной в журнале "Philosophical Magazine" в марте 1899 года. Её автором был Уильям Сазерленд, английский физик, более известный как автор приближённой формулы для зависимости вязкости газа от температуры.

Конечно, ни о какой ядерной физике автор термина не помышлял. Он рассуждал в меру тогдашнего понимания о природе катодных и рентгеновских лучей.

Нейтроном он предложил называть "аналог материальной молекулы", состоящей из пары отрицательно и положительно заряженных электронов. А тремя годами позже Сазерленд провозгласил: "Нейтрон и электрон суть молекула и атом электричества".

Воздержимся от очевидной критики, всё же Сазерленд был хорошим физиком, но слабым теоретиком, и двинемся дальше по шкале времени.

В отличие от Сазерленда духовный отец настоящего нейтрона Эрнест Резерфорд термин "нейтрон" долго не употреблял. Первое письменное свидетельство в пользу нейтрона, оставленное Резерфордом, появилось в 1904 году, это было небольшое замечание о гипотетической "малой незаряженной частице, двигающейся сквозь вещество".

В своей ставшей знаменитой Бейкеровской лекции 3 июня 1920 года ("Nuclear Constitution of Atoms") Резерфорд развил свои ранние идеи. Он предположил, что "при некоторых условиях электрон может гораздо теснее соединяться с ядром H, образуя своего рода нейтральный дублет (neutral doublet)".

Хотя слово "нейтрон" произнесено Резерфордом не было, лекция дала толчок экспериментальным поискам доказательства существовения этой частицы.

В доинтернетную эпоху было сложнее следить за работами конкурентов и отстаивать приоритет. После публикации Бейкеровской лекции Резерфорд получил язвительное поздравление от американского физика Уильяма Харкинса: "Мне было очень интересно отметить, что Вы рассматриваете возможность существования элемента с нулевым атомным номером, тем более что я сделал это предположение в статье, отправленной в "Physical Review" более года назад".

Резерфорд в долгу не остался. В ответ на письмо из США он ускорил публикацию статьи австралийского химика Дэвида Орми Массона, зашедщего в приближении к пониманию атомной структуры дальше и раньше (по утверждению Резерфорда), чем Харкинс.

В споре учёных точку поставили потомки. Резерфорд и его лекция считаются сегодня отправной точкой поисков доказательства существования нейтрона, а Харкинсу принадлежит честь первым употребить термин "нейтрон" по отношению к настоящему нейтрону, он сделал это в статье, опубликованной в 1921 году. Что до Массона, то на его долю от заочного участия в споре досталась статья в "Википедии".

Проблема интерпретации

Экспериментальный поиск нейтрона можно сравнить с шекспировской "The Comedy of Errors".

Задним числом стало понятно, что нейтрон открывали (то есть, создавали в экспериментах нейтронные пучки) разные группы учёных, начиная примерно с 1929 года. Проблема была в интерпретации результатов, так как считалось, что наблюдались высокоэнергетические гамма-лучи.

В экспериментах, о которых идёт речь, использовался полоний как источник альфа-частиц.

В 1930 году Вальтер Боте и Герберт Беккер обнаружили, что под влиянием бомбардировки альфа-частицами бериллий испускает излучение, которое сочли "имеющим характер гамма-лучей". Да, фактически они изобрели полониево-бериллиевый источник нейтронов, но догадаться об этом не смогли.

Полоний-210 с полным правом считается практически чистым альфа-источником, при распаде ядро ²¹⁰Po испускает альфа-частицу с энергией 5,3 МэВ. В свою очередь, на ядре бериллия происходит реакция ⁹Be+α с образованием ¹²C и свободного нейтрона.

Таким образом, Боте и Беккер получили в своих опытах пучок нейтронов, но сочли его какими-то странными гамма-лучами с большой проницающей способностью, "бериллиевыми лучами".

Следующим шагом в эпопее открытия нейтрона стали опыты 1931-1932 годов супругов Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри. Заинтересовавшись особенностями бериллиевых лучей, супруги изучили их взаимодействие с другими веществами и установили, что они выбивают "со значительной скоростью" протоны из веществ, содержащих водород.

Вот здесь в дело и вступил Джеймс Чедвик. Как ученик Резерфорда, он настойчиво искал подтверждение существования нейтрона, и великолепная научная интуиция заставила его обратить внимание на бериллиевые лучи.

Исторический эксперимент Чедвика 1932 года настолько прост, что его можно повторить буквально в гараже - конечно, если в гараже хранится небольшой запас полония.

На серебряном диске диаметром 1 см Чедвик осадил полоний из раствора радия. Получившийся альфа-источник он расположил рядом с диском из чистого бериллия диаметром 2 см. Всю конструкцию он поместил в цилиндр, откуда можно было откачивать воздух, и дополнил ионизационной камерой.

Между цилиндром и камерой Чедвик добавлял пластины из различных материалов, в том числе парафина, и подтвердил результаты опытов супругов Кюри. Но проблема интерпретации оставалась, бериллиевые лучи всё ещё считались подвидом гамма-лучей.

Схема опыта Джеймса Чедвика из его статьи,
полученной редакцией журнала "Proceedings of the Royal Society A"
10 мая 1932 года.
Образцы из парафина и других материалов Чедвик ставил
между цилиндрическим источником (слева) и ионизационной камерой.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

И тогда Чедвик сделал последний шаг. Он рассчитал энергию, которой должен был бы обладать гамма-квант, вылетевший из бериллиевого диска и выбивший из парафиновой пластинки протон с наблюдавшейся энергией.

Ответ поразил Чедвика - энергия гамма-кванта должна быть равной 55 МэВ. Но, с другой стороны, его максимальная теоретическая энергия в реакции ⁹Be+α→¹³C+γ не могла быть выше 14 МэВ.

Чедвику оставалось либо признать факт нарушения закона сохранения энергии, либо изменить природу бериллиевых лучей. Конечно, как настоящий учёный он выбрал второе.

Его расчёты показали, что результаты эксперимента хорошо описываются, если принять, что бериллиевые лучи состоят из незаряженных частиц массой примерно равной массе протона, то есть нейтронов.

Таким образом, нейтрон был наконец окончательно открыт, и в мире началась атомная эра.

Ключевые слова: История, Статьи, Владимир Рычин

---

Другие новости:

Выработка электроэнергии на АЭС США снижается второй год подряд - EIA

Доля сохраняется у отметки 19%.

VTR - обзор от разработчиков

История и текущее состояние.

Пусковой блок "Karachi-3" впервые вышел на номинал

Четвёртый "Дракон" в мире и второй за пределами Китая.

---

---

---

---

Поиск по сайту: