4.10: Нейтрони

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19006

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Чи був Шерлок Холмс справжнім або продуктом чиєїсь фантазії?

Найвідомішого детектива в історії та літературі ніколи не існувало. Шерлока Холмса був творінням британського автора сера Артура Конан Дойла. Ця міфічна людина мала можливості далеко за межами можливостей простих смертних. Холмс був здатний виявити найменшу підказку, найменший шматок доказів, щоб розкрити злочин. Він міг пов'язувати всілякі, здавалося б, невідповідні дані в цілісне ціле, щоб прояснити будь-яку таємницю, з якою він мав справу.

Пошуки нейтронів

Підказки, як правило, вважають наявність чогось - слід, шматок тканини, пляма крові, щось відчутне, що ми можемо виміряти безпосередньо. Відкриття електрона і протона були здійснені за допомогою таких підказок. Експерименти з електронно-променевою трубкою показали як негативно заряджені електрони, що випромінюються катодом, так і позитивно заряджений протон (також випромінюваний катодом). Нейтрон спочатку був знайдений не прямим спостереженням, а помітивши те, що не було знайдено.

Дослідження показали властивості електрона і протона. Вчені дізналися, що приблизно 1 837 електронів важили так само, як і один протон. Існували дані, які свідчать про те, що електрони йшли навколо важкого ядра, що складається з протонів. Заряд врівноважувався рівною кількістю електронів і протонів, які складали електрично нейтральний атом. Але виникла проблема з цією моделлю — атомний номер (кількість протонів) не відповідав атомній масі. Насправді атомний номер зазвичай становив близько половини атомної ваги. Це вказувало на те, що має бути присутнім щось інше. Що щось має важити приблизно так само, як протон, але не могло мати заряду - ця нова частинка повинна була бути електрично нейтральною.

У 1920 році Ернест Резерфорд спробував пояснити це явище наявністю іншої частинки в ядрі. Він запропонував, щоб «зайві» частинки були протонами і електронами, які об'єдналися в нову частинку в ядрі (такого не виявилося). Ці нові частинки мали б масу, дуже схожу на протон, але були б електрично нейтральними, оскільки позитивний заряд протона та негативний заряд електрона скасували б один одного.

У 1930 році німецькі дослідники бомбардували елемент берилій альфа-частинками (ядра гелію, що містять два протони і два нейтрони із зарядом +2). Частинки, що утворюються в цьому процесі, мали сильну проникаючу здатність, що припускало, що вони були досить великими. Крім того, на них не впливало магнітне поле, тому вони були електрично нейтральними. Французька дослідницька група чоловіка-дружини Фредеріка та Ірен Жоліо-Кюрі використовувала ці нові «промені» для бомбардування парафіну, який був багатий протонами. Невідомі частинки виробляли велику емісію протонів з парафіну.

Англійський фізик Джеймс Чедвік (1891-1974) повторив ці експерименти і вивчив енергію цих частинок. Вимірюючи швидкості, він зміг показати, що нова частинка має по суті ту ж масу, що і протон. Отже, ми маємо третю субатомну частинку з масою, рівною масі протона, але без заряду. Ця частинка називається нейтроном. Чедвік отримав Нобелівську премію з фізики в 1935 році за свої дослідження.

Нейтронні додатки

Нейтрони можуть використовуватися різними способами. Одним з важливих застосувань є ядерний поділ для отримання нових ізотопів. Нейтрон зіткнеться з великим атомом (таким як уран) і призведе до його розщеплення на менші атоми, наприклад, на малюнку нижче.

Ядерні реактори використовують ланцюгові реакції за участю нейтронів для нагрівання води, яка приводить в рух турбіни для вироблення електроенергії. Коли нейтрон стикається з великим атомом, атом розщеплюється з виділенням більшої кількості нейтронів, а також великої кількості енергії. Енергія перетворює воду в пар для турбіни, в той час як нейтрони служать для продовження ланцюгової реакції (див. Малюнок нижче).

Резюме

Резерфорд припустив, що «зайві» частинки в ядрі були комбінаціями протонів і електронів.
Бомбардування берилію альфа-частинками утворило великі, нейтральні частинки.
Чедвік визначив масу нейтрона.
Ядерне поділ виробляє нові елементи.
Ядерні реактори використовують ланцюгові реакції для отримання тепла.

Рецензія

Як Резерфорд намагався пояснити відмінності між кількістю протонів в ядрі і атомною масою?
Що виявили німецькі дослідники, коли бомбардували берилій альфа-частинками?
Що Chadwick визначив про ці нові частинки (спостерігав німецький вчений і кюрі)?