К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их уверяли бессчетные экспериментальные факты, скопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное подтверждение ядерной модели ядра, измерение дела e / m для электрона, α-частицы и для так именуемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д. В текущее время твердо установлено, что атомные ядра разных частей состоят из 2-ух частиц – протонов и нейтронов.

1-ая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частичка наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд нашел ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих частей. Резерфорд именовал эту частичку протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 9.5.1.

1

Набросок 9.5.1. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – железная фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в какой был размещен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто железной фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтоб α-частицы не могли через нее просочиться. По ту сторону окна размещался экран Э, покрытый сернистым цинком. При помощи микроскопа М можно было следить сцинтилляции в точках попадания на экран томных заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на дисплее появлялись световые вспышки, указывающие на возникновение потока каких-либо частиц, способных просачиваться через фольгу Ф, фактически стопроцентно задерживающую поток α-частиц.

Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась примерно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования деяния на частички, выбиваемые из ядер азота, электронных и магнитных полей проявили, что эти частички владеют положительным простым зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Потом опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было найдено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы либо протоны. По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен простому заряду e = 1,60217733·10–19 Кл, другими словами равен по модулю отрицательному заряду электрона. В текущее время равенство зарядов протона и электрона испытано с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов 2-ух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из базовых загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна mp = 1,67262·10–27 кг. В ядерной физике массу частички нередко выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной массы атома углерода с массовым числом 12:

1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.

  Как следует, mp = 1,007276 · а. е. м. В почти всех случаях массу частички комфортно выражать в эквивалентных значениях энергии в согласовании с формулой E = mc2. Потому что 1 эВ = 1,60218·10–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ. Таким макаром, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других частей при ударах стремительных α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов. После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Но это предположение оказалось несостоятельным, потому что отношение заряда ядра к его массе не остается неизменным для различных ядер, как это было бы, если б в состав ядер входили одни протоны. Для более томных ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, другими словами при переходе к более томным ядрам масса ядра вырастает резвее, чем заряд. В 1920 г. Резерфорд высказал догадку о существовании в составе ядер агрессивно связанной малогабаритной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частичку с массой, примерно равной массе протона. Он даже выдумал заглавие этой гипотетичной частичке – нейтрон.

Это была очень прекрасная, но, как выяснилось потом, неверная мысль. Электрон не может заходить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей указывает, что электрон, локализованный в ядре, другими словами области размером R ≈ 10–13 см, должен владеть колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частичку. Мысль о существовании тяжеленной нейтральной частички казалась Резерфорду так симпатичной, что он немедленно предложил группе собственных учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском таковой частички. Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально изучил излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и нашел, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 9.5.2 приведена облегченная схема установки для обнаружения нейтронов.

2

Набросок 9.5.2. Схема установки для обнаружения нейтронов.

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, появляется сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца шириной в 10–20 см. Это излучение практически сразу с Чедвиком следили супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они представили, что это γ-лучи большой энергии. Они нашли, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластинку, то ионизирующая способность этого излучения резко растет. Они обосновали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большенном количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сказать протонам нужную скорость.

Она оказалась большой – порядка 50 МэВ. Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию тестов по всестороннему исследованию параметров излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В собственных опытах Чедвик использовал разные способы исследования ионизирующих излучений. На рис. 9.5.2 изображен счетчик Гейгера, созданный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри железным слоем (катод), и узкой нити, идущей повдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частичка, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Показавшиеся в итоге ионизации свободные электроны ускоряются электронным полем меж анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит маленький разрядный импульс тока. Другим важным прибором для исследования частиц является так именуемая камера Вильсона, в какой стремительная заряженная частичка оставляет след (трек). Линию движения частички можно следить конкретно либо фотографировать.

Действие камеры Вильсона, сделанной в 1912 г., основано на конденсации сверхнасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры повдоль линии движения заряженной частички. При помощи камеры Вильсона можно следить искривление линии движения заряженной частички в электронном и магнитном полях. Дж. Чедвик в собственных опытах следил в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сказать ядрам азота наблюдаемую в опыте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Таковой большой энергией не могли владеть γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а довольно томные частички.

Так как эти частички обладали большой проникающей способностью и конкретно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, как следует, они были электронейтральны. Так было подтверждено существование нейтрона – частички, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика. Нейтрон – это простая частичка. Ее не следует представлять в виде малогабаритной протон-электронной пары, как сначало подразумевал Резерфорд. По современным измерениям, масса нейтрона mn = 1,67493·10–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона примерно на две электрические массы превосходит массу протона. Сразу после открытия нейтрона русский ученый Д. Д. Иваненко и германский физик В. Гейзенберг выдвинули догадку о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая стопроцентно подтвердилась следующими исследовательскими работами.

Протоны и нейтроны принято именовать нуклонами. Для свойства атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают эмблемой Z и именуют зарядовым числом либо атомным номером (это порядковый номер в повторяющейся таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – простый заряд. Число нейтронов обозначают эмблемой N. Общее число нуклонов (другими словами протонов и нейтронов) именуют массовым числом A:

A = Z + N.

  Ядра хим частей обозначают эмблемой , где X – хим знак элемента. К примеру,
– водород, – гелий, – кислород, – углерод, – уран. Ядра 1-го и такого же хим элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра именуются изотопами. Практически у всех хим частей есть некоторое количество изотопов. К примеру, у водорода три изотопа: – обыденный водород, – дейтерий и – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3. Хим элементы в природных критериях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в повторяющейся таблице Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.