Открытие протона и нейтрона

В 1914 г. Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что ядро атома водорода является элементарной частицей, входящей в состав ядер всех химических элементов. В 1919 г. он провёл серию экспериментов, которые подтвердили эту гипотезу.

Ядро весьма устойчиво и ни высокие температуры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызывают превращения элементов и не влияют на скорость радиоактивного распада. Поэтому Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящим носителем большой энергии в то время были α-частицы.

Схема экспериментальной установки, с помощью которой Резерфорд исследовал взаимодействие α-частиц с ядрами атомов азота, показана на рисунке^[2]. Она состояла из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической (серебряной) фольгой Ф. За окном был расположен экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжёлых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, свидетельствующие о появлении потока частиц, способных проникать через фольгу Ф.

Толщина фольги на выходе из объёма, в котором происходило взаимодействие α-частиц с ядрами азота, была подобрана таким образом, чтобы α-частицы не могли через неё пройти. В то же время те протоны, которые образовались в ядерной реакции, проходили через фольгу и вызывали вспышки на экране. Резерфорд предположил, что сцинтилляции вызваны частицами, которые испускались ядрами азота в результате их бомбардировки α-частицами. Исследования действия электрических и магнитных полей на частицы, выбиваемые из ядер азота, показали, что такие частицы обладают положительным элементарным зарядом. При этом их масса равна массе ядра атома самого лёгкого изотопа водорода — протия. Эти частицы назвали протонами. Появление протонов в камере Резерфорд объяснил тем, что при обстреле атомов азота α-частицами некоторые из них проникают в ядра азота и выбивают из них протоны. Те, в свою очередь, обладая огромной скоростью, проникают через фольгу Ф и вызывают сцинтилляции на экране.

Таким образом, в наблюдаемом явлении происходит процесс превращения ядер, который схематично можно представить в виде двух этапов.

1. Захват ядром азота α-частицы с образованием нестабильного ядра.
2. Распад нестабильного ядра на две частицы, одной из которых является протон.

Данную ядерную реакцию можно представить в виде следующей формулы:

${\displaystyle {}_{2}^{4}{\textrm {He}}+{}_{7}^{14}{\textrm {N}}\rightarrow ({}_{9}^{18}{\textrm {F}})\rightarrow {}_{8}^{17}{\textrm {O}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}}$.

Эту реакцию часто записывают, опуская промежуточное ядро^[3]:

${\displaystyle {}_{2}^{4}{\textrm {He}}+{}_{7}^{14}{\textrm {N}}\rightarrow {}_{8}^{17}{\textrm {O}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}}$.

Сотрудник Резерфорда, П. Блэккет исследовал с помощью камеры Вильсона природу конечных продуктов взаимодействия между α-частицами и ядрами азота. В 1924 г., изучив более 25 000 фотопластинок, он установил, что в результате столкновения α-частицы с ядром азота образуются ядро водорода (протон) и изотоп кислорода. Это стало экспериментальным подтверждением гипотезы Резерфорда о возможности искусственного превращения одного химического элемента в другой^[4].

На рисунке показана одна из фотографий рассмотренного процесса. Слева видна характерная «вилка» — разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру атома кислорода, а тонкий — протону. Остальные α-частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны.

После открытия протона некоторое время считалось, что атомные ядра состоят только из протонов. Однако это предположение противоречило измеренным отношениям заряда ядра к его массе: для тяжёлых ядер это отношение оказалось меньше, чем для лёгких. В 1920 г. Резерфорд предположил, что в состав ядра входит также незаряженная частица с массой, приблизительно равной массе протона.

Многие учёные направили свои усилия на то, чтобы осуществить искусственные ядерные реакции: при помощи α-частиц стали облучать элементы, наблюдая за продуктами ядерных реакций. В 1930 г. В. Боте и Г. Беккер обнаружили, что при облучении бериллия α-частицами возникало какое-то неизвестное излучение. Оно не отклонялось в электрическом и магнитном полях, обладало большой энергией и высокой ионизирующей способностью и первоначально его приняли за γ-излучение.

В ходе экспериментов И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличивается. Они предположили, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в этом водородсодержащем веществе. С помощью камеры Вильсона Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине свободного пробега оценили их энергию. Если допустить, что протоны ускорялись в результате столкновения γ-квантами, то энергия этих квантов должна быть огромной — около 55 МэВ^[5].

В 1932 г. ученик Резерфорда Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании полученных результатов он оценил энергию γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. Отсюда Чедвик сделал вывод, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжёлые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счётчике Гейгера, следовательно, они были электрически нейтральны^[6].

Тем самым, было доказано существование нейтрона — частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до экспериментов Чедвика. Ядерная реакция, в которой он обнаружил нейтрон, может быть записана в виде:

${\displaystyle {}_{4}^{9}{\textrm {Be}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{6}^{12}{\textrm {C}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}}$.

Резерфорд, обнаружив, что в ходе ядерных реакций с участием α-частиц из ядер вылетают протоны, а при радиоактивном бета-распаде — электроны, выдвинул модель, согласно которой атомные ядра состоят из протонов и электронов. Наряду со многими другими учёными того времени, он считал, что может существовать атомное ядро из одного протона и одного электрона, будучи при этом электрически нейтральным. Поэтому нейтрон естественным образом был принят за такое нейтральное ядро^[7].

Однако из соотношения неопределённостей Гейзенберга следовало, что для удержания электронов в пределах ядра необходимы необычайно большие силы, которые, согласно экспериментальным данным, отсутствовали. Кроме того, выяснилось, что в модели Резерфорда для некоторых ядер нарушается квантово-механическое правило связи спина и статистики. Например, в ядре азота  должно было содержаться 14 протонов и 7 электронов, т. е. 21 частица со спином 1/2. Другими словами, ядро  должно было иметь полуцелый спин и подчиняться квантовой статистике Ферми — Дирака.

Однако на основании экспериментов по изучению интенсивности вращательных спектров молекулы азота N₂ было установлено, что ядра азота подчиняются квантовой статистике Бозе — Эйнштейна, т. е. имеют целый спин, который оказался равным 1. В истории ядерной физики возникший парадокс был назван «азотной катастрофой». Вскоре появилась ещё одна трудность: при бета-распаде энергетические спектры вылетающих электронов и позитронов оказались непрерывными, т. е. энергия этих частиц может принимать произвольные значения. Для решения данной проблемы Н. Бор предположил, что электроны, попадая в ядра, «теряют свою индивидуальность» и свой спин, а закон сохранения энергии выполняется только статистически, т. е. может нарушаться в отдельных актах бета-распада.

В 1928 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко высказали гипотезу: бета-электрон (потерявший свою индивидуальность и не существующий в ядре) рождается в самом процессе бета-распада. Именно идея о возможности рождения бета-электронов в процессе бета-распада позволила Иваненко выдвинуть идею о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Он также предположил, что спин нейтрона равен 1/2. Это устраняло «азотную катастрофу»: ядро азота ${\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}}$, состоящее из 7 протонов и 7 нейтронов, должно было быть бозоном. В 1932 г. Иваненко опубликовал в журнале Nature заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон, как и протон, является структурным элементом ядра^[8].

К этой же идее независимо от Иваненко пришёл и В. Гейзенберг.

Согласно протонно-нейтронной модели, ядра состоят из элементарных частиц двух сортов: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равняется числу электронов в атомной оболочке, так как в целом атом нейтрален. Следовательно, число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента Z в таблице Д. И. Менделеева. Протонно-нейтронная модель ядра была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

⚠️ Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Открытие протона и нейтрона» вам необходимо: понимать, как были проведены эксперименты по обнаружению этих частиц (опыты Резерфорда и Чедвика) и какие при этом были получены результаты; знать основные характеристики протона и нейтрона и такие ключевые понятия, как «нуклон», «массовое число», «зарядовое число», «изотоп», «протонно-нейтронная модель атомного ядра»; уметь записывать ядерные реакции, в ходе которых были открыты протон и нейтрон. Учащимся важно также понимать тот факт, что обнаружение протона и нейтрона способствовало лучшему пониманию устройства атомного ядра и созданию протонно-нейтронной модели атомного ядра.