1. Открытие новых частиц

Определения и обозначения

Электрон — отрицательно заряженная частица атома с зарядом −e = −1,60 · 10⁻¹⁹ Кл и массой около 9,11 · 10⁻³¹ кг. Электроны образуют оболочку атома и влияют на его электрические и химические свойства. Их открытие показало, что атом имеет внутреннее строение.

Протон — частица с положительным зарядом +e = 1,60 · 10⁻¹⁹ Кл и массой около 1,67 · 10⁻²⁷ кг. Он находится в атомном ядре вместе с нейтронами. Число протонов определяет заряд ядра и указывает, к какому химическому элементу относится атом.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра с массой около 1,675 · 10⁻²⁷ кг, близкой к массе протона. Отсутствие заряда не означает отсутствия массы. Нейтроны помогают объяснить массу ядер и различия между изотопами одного элемента.

Позитрон — античастица электрона, имеющая такую же массу, но заряд +e. Его обнаружение показало, что у некоторых частиц есть античастицы с противоположным зарядом. Это понятие необходимо для описания процессов превращения частиц и аннигиляции.

Как это устроено

В катодной трубке при прохождении электрического тока возникали лучи, которые отклонялись полями. Их свойства не зависели от того, из какого вещества были сделаны электроды, поэтому исследователи заключили, что лучи состоят из одинаковых отрицательно заряженных частиц, присутствующих в разных веществах. Так Дж. Томсон в 1897 году получил свидетельство существования электрона. Раз вещество состоит из атомов, а электроны можно выделить из него, атомы не могут быть неделимыми.

Электрическое поле действует на заряд силой F = qE: направление силы совпадает с полем для положительного заряда и противоположно ему для отрицательного. Поэтому по стороне отклонения пучка можно установить знак заряда, если известно направление поля. Магнитное поле тоже меняет траекторию движущейся частицы: сила Лоренца перпендикулярна скорости и магнитному полю, а её направление зависит от знака q. Измеряя отклонение и зная условия опыта, находят отношение заряда к массе; одной траектории без сведений о полях и скорости недостаточно.

Исследования рассеяния альфа-частиц на тонкой фольге показали, что положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень малой области — ядре. Это заключение возникло потому, что редкие частицы меняли направление особенно сильно, будто сталкивались с компактным массивным объектом, а большинство проходило почти прямо. Позже Резерфорд при ядерных превращениях получил положительно заряженные частицы, которые назвали протонами. Таким образом выяснилось, что ядро не является однородным, а его положительный заряд связан с протонами.

Масса ядра оказалась больше, чем можно было объяснить одним числом протонов, а ядра одного элемента могли иметь разную массу. Такие варианты атомов называются изотопами: число протонов у них одинаково, а число нейтронов различается. Для объяснения этих фактов требовалась массивная частица без заряда, иначе её было бы легко заметить по отклонению в электрическом поле. В 1932 году Дж. Чедвик обнаружил нейтрон, исследуя излучение бериллия, облучённого альфа-частицами.

Позитрон был обнаружен К. Андерсоном в 1932 году по следу частицы в камере, помещённой в магнитное поле. След искривлялся так, как если бы частица имела заряд, противоположный электронному, но по характеру движения и измеренной массе она была похожа на электрон. Это открытие подтвердило существование античастиц, предсказанных теоретически. Оно расширило представление о материи: частица может иметь античастицу с той же массой и противоположным зарядом.

Основные частицы, открытые при исследовании строения вещества

В таблице собраны основные свойства частиц и исторические сведения об их обнаружении. Знак отклонения указан для однородного электрического поля: положительные заряды отклоняются по направлению поля, отрицательные — против него. Сравнивая строки, можно увидеть, как заряд и место частицы в атоме связаны с тем, каким способом её удалось обнаружить.

Разбор задач

1. Определить электрон или позитрон по отклонению в электрическом поле

Условие. Пучок отклоняется против направления электрического поля; масса частицы равна массе электрона. Нужно определить знак заряда и частицу. Направление поля в условии задано, поэтому можно сопоставить силу с зарядом.

1. Вспомним, что на заряд действует сила F = qE. При положительном q сила направлена по полю, при отрицательном — против него.
2. Пучок отклоняется против поля, значит, заряд частицы отрицательный.
3. Масса совпадает с массой электрона, поэтому среди двух вариантов это электрон, а не позитрон.

Ответ: частица имеет отрицательный заряд и является электроном. Если бы пучок отклонялся по направлению поля при той же массе, это был бы позитрон.

2. Определить частицы по противоположному отклонению в магнитном поле

Условие. В камере наблюдаются две частицы с равными по модулю зарядами и одинаковыми массами. В одном и том же магнитном поле их траектории искривляются в противоположные стороны; требуется назвать частицы.

1. Сила Лоренца для частицы равна F = qv × B; при одинаковых направлениях скорости и поля смена знака q меняет направление силы.
2. Противоположное искривление означает, что заряды частиц имеют разные знаки. Равенство модулей заряда и масс согласуется с парой электрон — позитрон.
3. Их массы одинаковы, а заряды равны по модулю и противоположны по знаку: электрон имеет −e, позитрон +e.

Ответ: наблюдаются электрон и позитрон. По одному только направлению изгиба нельзя сказать, какой след принадлежит каждой частице, если не задано направление скорости и магнитного поля.

3. Определить неизвестную частицу в реакции

Условие. Бериллий облучают альфа-частицами, в результате образуются углерод и неизвестная частица. Реакция записывается так: ⁹Be + ⁴He → ¹²C + X; нужно определить X по законам сохранения.

1. Сохраняется массовое число: слева 9 + 4 = 13, у углерода справа 12, значит, у X массовое число 1.
2. Сохраняется зарядовое число: у бериллия 4, у альфа-частицы 2, всего 6. У углерода 6, следовательно, зарядовое число X равно 0.
3. Частица с массовым числом 1 и зарядовым числом 0 — нейтрон. Баланс обоих чисел подтверждает, что уравнение реакции согласовано.

Ответ: X — нейтрон, ¹₀n. Такой способ рассуждения позволяет установить свойства неизвестной частицы, даже если её нельзя непосредственно наблюдать в реакции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать нейтрон безмассовым. Так думают, потому что связывают слово «нейтральный» с отсутствием каких-либо свойств. Нейтральность означает только нулевой электрический заряд, тогда как масса нейтрона близка к массе протона. Проверка: в ядерной реакции учитывайте для нейтрона массовое число 1.

Ошибка: путать заряд и направление движения. Частица может двигаться в любую сторону, а отклонение определяется направлением поля, скоростью и знаком заряда. Чтобы проверить вывод, сначала укажите направление электрического поля, затем сравните с ним направление силы: для отрицательного заряда они противоположны.

Ошибка: называть протон и нейтрон элементарными частицами в современном смысле. В школьном описании их называют частицами ядра, но это не значит, что у них нет внутреннего строения. Протоны и нейтроны состоят из кварков, поэтому относятся к составным частицам. Проверяйте, в каком смысле используется слово «элементарный».

Ошибка: считать позитрон более тяжёлым «положительным электроном». Название может создать впечатление, что это просто похожая частица с иными свойствами. На деле масса электрона и позитрона одинакова, различается только знак заряда. Сверьте оба свойства отдельно: масса равна, заряд противоположен.

Связь с другими темами

Для понимания опытов с частицами нужны понятия электрического заряда, действия электрического и магнитного полей и строения атома. Эти знания затем применяются при изучении радиоактивности, ядерных реакций, изотопов и строения ядра: там важно учитывать заряд и массовое число частиц. Представление об античастицах помогает разобраться в аннигиляции и рождении пар, а позднее — в современной физике элементарных частиц.

Что запомнить

• Электрон имеет отрицательный элементарный заряд.
• Протон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.
• Нейтрон не имеет электрического заряда, но обладает массой.
• Протоны и нейтроны образуют атомное ядро.
• Позитрон является античастицей электрона.
• Знак заряда и отношение заряда к массе можно определить по отклонению частицы в полях.
• Открытие новых частиц изменило представление о неделимости атома.