Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 153
Текст из файла (страница 153)
Это доказывало неправильность указанной гипотезы. Однако, как указал Чедвик, все противоречия устраняются, если предположить, что бсриллиевые лучи образуются потоком не з-квантов, а других нейтральных частиц, названных им нейтрона.ни. Возможность существования нейтронов предусматривалась еще Резерфордом в 1920 г. Он допускал возможность существования сложной частицы, состоящей из протона и электрона.
Но в этой частице протон и электрон связаны между собой еще более прочно, чем в атоме водорода в основном состоянии. Существование подобной нейтральной частицы подтвердилось, но гипотезу о ес строении из протона и электрона пришлось оставить (см. 3 63). 5 92) История открытия нейтрона 605 Однако гипотеза Резерфорда о строении нейтрона позволяет сразу понятен почему для выбивания наблюдаемых протонов из парафина требуются нейтроны несравненно меньшей энергии, чем энергия 7-квантов.
Дело в гом, что в соответствии с гипотезой Резерфорда масса нейтрона должна быть с большой точностью равна массе протона. Примем, что масса т протона и нейтрона одна и та же. При лобовом столкновении 7-кванта с энергией Йр с протоном последний получает импульс тр = Ьи/с. Отсюда ти/2 и бо 2с Но при равенстве масс протона и нейтрона величина тиа/2 равна также энергии нейтрона. Из последней формулы видно, что эта энергия должна быть значительно меньше энергии соответствующего 7-кванта. Отметим, что в этом рассуждении принималось во внимание только предположение о равенстве масс протона и нейтрона, а гипотеза о строении последнего совсем не использовалась.
5. Чедвик произвел и первое, хотя и недостаточно гочное, измерение массы нейтрона т„. Он исходил из следующих соображений. Если нейтрон претерпевает лобовое столкновение с покоящимся ядром массой тп, то на основании законов сохранения энергии и импульса в нерелятивистском приближении можно написать 2 2 2 т,и„, = т„и„з+ ти, т„и„1 = т„и,а + ти, где и„1 и и„з — скорости нейтрона до и после столкновения, а и скорость ядра отдачи. Отсюда 2т ип1 ие+ т Производились измерения максимальных скоростей ядер отдачи в водороде (ин) и в азоте (ик).
Максимум скорости ядер отдачи свидетельствовал о том, что в обоих случаях скорости нейтронов были одинаковы, а именно максимальны. Поэтому полагая в предыдущем уравнении сначала т = тн, а затем еп = тн, почлснным делением получаем ин тн+т тн/тн+ т /тн ич нен+т 1+т Двн Из своих измерений Чедвик нашел, что наиболее вероятные максимальные скорости отдачи ядер водорода (протонов) и азота равны ин = 3,3 10э см/с и иь = 4,7.
10 см/с. Пользуясь этими значениями и полагая тн/тн = 14, из предыдущего соотношения находим т„/тн = 1,15. Учитывая довольно большую ошибку метода, Чедвик заключил, что тн = то, т. е. масса нейтрона равна массе протона тр. Точное значение массы нейтрона т„= (939,5731 ~ 0,0027) МэВ было получено из баланса масс различных ядерных реакций с участием нейтронов. Масса нейтрона отличается от массы протона тр = (938,2796 ~ 0,0027) МэВ на т,„— тр — — (1,29343 х 0,00004) МэВ. [Гл.
Х!Н Нейтроны и деление атомн х. ядер 606 8 93. Деление атомных ядер 1. Открытие деления атомных ядер — одно из важнейших фундаментальных открытий, получившее многочисленные научно-технические применения. Предыстория этого открытия начинается с 1934 г., когда Ферми со своими сотрудниками начали облучать нейтронами атомные ядра с целью получения новых химических элементов. Нейтроны не имеюг электрического заряда — для них не существует кулоновского потенциального барьера.
Поэтому им легче проникать внутрь ядра и вызывать различные ядерные превращения, чем заряженным частицам. При облучении самого тяжелого из естественных (встречающнхся в природе) химических элементов — урана — - Ферми надеялся получить еще более тяжелые химические элементы, называемые трансуранами.
Эти элементы должны быть радиоактивными, так как в противном случае они встречались бы на Земле в естественном состоянии. Стабильных изотопов у урана всего три: хзв11, ~еь11 н ~зл11. Самым распространенным является эз~'г1. Относительная распространенность остальных двух изотопов весьма мала: зээ1! составляет около 1/140, а ~а~11 — всего 1!17000 долю ~зв11. Допустим, что облучению подвергается один нз этих изотопов, например зза11. При таком облучении возникает новый радиоактивный изотоп ~Д11.
Этот изотоп перегружен нейтронами, а потому должен испытывать р" -распад, в результате чего возникаег трансурановый элемент с У = 93. При последующем 13 -распаде должен возникать элемент с Я = 94, и т. д. Ферми и его сотрудники действительно обнаружили, что при облучении урана нейтронами возникают новые радиоактивные ядра. Доказательством этого служило появление новых периодов полураспада. Особое внимание было уделено периодам в 13 и 90 мин, так как среди всех ядер с зарядовыми числами между Е = 86 и У = 92 не было известно нн одного ядра, которое бы обладало таким периодом полураспада. Поэтому естественным было предположение Ферми, что новое г1-излучение исходит от элемента с У = 93 или от элементов с еще более высокими зарядовыми числами, '!акое предположение как будто бы подтверждалось исследованиями химических свойств гипотетических элементов методами радиохимии, но это было признано неубедительным.
2. Систематические многолетние исследования О. Гана (1879 — 1968), Лизе Мейтнер (1878 — 1988) и Штрассмана (1902 — 1980) показали, что кривая ослабления ингенсивности различных излучений выглядела различно в зависимости от времени начала наблюдения. Это указывало на то, что, по-видимому, какие-то радиоактивные вещества возникают не сразу, а спустя некоторое время после начала облучения нейтронами. Отсюда вытекало, что существует цепь яогледовательных радиоактивных превращений, подобная радиоактивным рядам естественных радиоактивных веществ. Периоды полураспада 13 и 90 мнн, найденные Ферми, были уточнены и по измерениям Мейтнер оказались равными Деление еепомных ядер 93 607 16 и 50 мин соответственно.
Кроме того, было обнаружено много периодов полураспада, в особенности более длительных, которые раньше не были замечены Ферми. Общее число таких периодов достигло девяти, а наибольший атомный номер гипотетических радиоактивных элементов возрос до 97. Интересно отметить также, что период полураспада 23 мин появлялся при облучении только медленными нейтронами. Лишь по этой причине его удалось отделить от близкого к нему периода 16 мин. И. Кюри и П. Савич (р. 1909) помимо периодов, найденных Ганом, Мейтнер и 1Птрассманом, обнаружили еще период полураспада в 3,5 ч.
Оказалось, что по своим химическим свойствам соответствующий ему элемент является аналогом редкоземельного элемента лантана. Этот факт определенно приводил к гипотезе о делении ядра. Однако Кюри и Савич не заметили такой возможности и приписали наблюдаемое радиоактивное излучение траисурановым элементам. Между тем Ган и Штрассман продолжали системагические опыты по исследованию радиоактивных веществ, возникающих из урана и гория при облучении их нейтронами.
(Лизе Мейтнер не могла принять участия в этих опытах. Она была еврейкой и австрийской подданной. После захвата Австрии гитлеровской Германией оиа в середине 1933 г. была вынуждена эмигрировать из Германии в П!вецию, Но она непрерывно поддерживала активную идейную связь с лабораторией Гана в Берлине.) Ган и Штрассман были химиками — ведущими специалистами в области радиохимии. Главный итог их исследований состоит в том, что при облучении урана и тория нейтронами возникают изотопы химических элементов, лежащие где-то посередине периодической системы. К ним, в частности, относятся барий, а также лантан, наблюдавшийся в опытах Кюри и Савича.
3. Природа этих удивительных явлений была понята Л. Мейтнер и ее племянником О. Фришем (1004 — 1979) в середине января 1039 г. Они предположили, что возбужденное ядро урана или тория, получающееся после захвата нейтрона, делится на две более мелкие части приблизительно одинаковой массы, которые были названы осколками.
Обнаруженные Кюри и Савичем, Ганом и Штрассманом радиоактивные изотопы, лежащие в середине периодической систомы, и являются такими осколками ядер урана и торил. Поскольку относительная доля нейтронов в ядрах увеличивается с увеличением массы последних, эти осколки, получившиеся из тяжелых ядер, перегружены нейтронами. Поэтому в ядрах осколков происходят процессы превращения нейтронов в протоны путем испускания электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
