"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая вместе с протонами в состав атомных ядер. Его масса почти равна массе протона, поэтому нейтроны существенно увеличивают массу ядра, не изменяя его заряд. Нейтрон открыли в 1932 году в опытах с бериллием: излучение, ранее считавшееся гамма-излучением, оказалось потоком нейтральных частиц. Знание о нейтронах помогает объяснить изотопы и ядерные реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая вместе с протоном в состав атомного ядра. Его обозначают буквой n, а масса близка к массе протона. Отсутствие заряда не означает отсутствия массы: нейтрон заметно влияет на массу и устойчивость ядра.
Протонное число Z — число протонов в ядре. Оно определяет положительный заряд ядра и химический элемент, поэтому у всех атомов одного элемента Z одинаково. Например, у углерода Z = 6, то есть в его ядре шесть протонов.
Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Оно показывает, сколько нуклонов, то есть частиц ядра, в нём содержится. По A и Z можно восстановить состав ядра.
Число нейтронов N находят как разность массового и протонного чисел: N = A − Z. Формула отделяет вклад нейтронов от общего числа частиц ядра. Так можно сравнивать изотопы одного элемента, у которых Z одинаково, а N различается.
В опытах Боте и Беккера бериллий облучали альфа-частицами, то есть ядрами гелия. После этого возникало очень проникающее излучение, способное проходить через значительные слои вещества. Поскольку оно почти не поглощалось и не отклонялось электрическими полями, его сначала приняли за гамма-излучение.
Жолио-Кюри направили это излучение на парафин, содержащий много водорода. Из парафина вылетали протоны, а их движение указывало на передачу большой энергии. Гамма-кванты могли бы выбивать электроны, но объяснить ими столь энергичные протоны было трудно: для этого требовались необычно большие энергии фотонов.
Чедвик повторил и расширил опыт, используя не только парафин, но и другие вещества. Он измерял скорости и энергии ядер, выбитых бериллиевым излучением. Сравнение результатов для водорода и более тяжёлых элементов позволило проверить, какая частица передаёт ядрам импульс.
Если бы причиной были гамма-кванты, энергии отдачи разных ядер не согласовывались бы с одной и той же моделью столкновения. Чедвик показал, что данные объясняются потоком незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона. Так была доказана реальность нейтрона, который не оставлял прямого следа в электрическом поле, но передавал ядрам энергию при столкновениях.
Рождение нейтрона описывают реакцией ⁹Be + ⁴He → ¹²C + ¹n. Слева массовые числа дают 9 + 4 = 13, а справа 12 + 1 = 13; зарядовые числа также совпадают: 4 + 2 = 6 + 0. Поэтому реакция согласуется с законами сохранения и объясняет появление нейтральной частицы.
Таблица показывает, какие объекты участвовали в опытах и какую роль выполнял каждый из них. При чтении сначала сравнивайте заряд: нулевой заряд нейтрона отличает его от протона и альфа-частицы. Затем проследите, какое ядро облучают, какие частицы выбиваются и какое ядро остаётся после реакции.
| Объект | Обозначение | Электрический заряд | Роль в опытах |
|---|---|---|---|
| Альфа-частица | ⁴He | +2e | Облучает ядро бериллия |
| Ядро бериллия | ⁹Be | +4e | Мишень, испускающая нейтрон |
| Нейтрон | n | 0 | Вызывает отдачу ядер и регистрируется косвенно |
| Протон | p | +e | Выбивается из парафина и измеряется |
| Ядро углерода | ¹²C | +6e | Остаётся продуктом реакции |
В реакции ⁹Be + ⁴He → ¹²C + X требуется определить частицу X. Используем сохранение массового и зарядового чисел, потому что в ядерной реакции оба эти числа должны иметь одинаковые суммы до и после превращения.
Частица с A = 1 и Z = 0 — нейтрон. Ответ: X = ¹n.
Нужно определить число нейтронов в ядре ¹²C, если протонное число углерода Z = 6. Массовое число уже содержит и протоны, и нейтроны, поэтому из него надо убрать число протонов.
В ядре ¹²C содержится 6 нейтронов. Проверка: 6 протонов + 6 нейтронов дают массовое число 12.
В реакции ⁹Be + ⁴He → X + n зарядовое число неизвестного ядра X равно 6. Требуется найти его массовое число. Сначала проверим заряд, чтобы понять, какой элемент образуется, а затем применим сохранение массового числа.
Неизвестное ядро — ¹²C, его массовое число равно 12. Одновременная проверка обоих законов сохранения подтверждает результат.
Ошибка: считать нейтрон разновидностью гамма-кванта. Так происходит из-за общего отсутствия электрического заряда и высокой проникающей способности. Проверка: гамма-квант — излучение без массы покоя, а нейтрон — массивная частица.
Ошибка: связывать нулевой заряд нейтрона с нулевой массой. Причина — смешение двух разных физических характеристик частицы. Проверяйте себя по массе: она близка к массе протона.
Ошибка: считать массовое число количеством нейтронов. Такое заключение забывает о протонах, которые тоже входят в состав ядра. Используйте равенство A = Z + N и формулу N = A − Z.
Ошибка: проверять ядерную реакцию только по массовым числам. Две стороны могут иметь одинаковую сумму A, но разные заряды, что нарушает закон сохранения электрического заряда. Всегда отдельно сравнивайте суммы A и Z.
До изучения открытия нейтрона нужно знать состав атомного ядра, обозначения протона и альфа-частицы, а также массовое и зарядовое числа. Эти обозначения позволяют читать ядерные реакции без дополнительных сведений.
Нейтрон необходим для объяснения изотопов: у ядер одного элемента одинаковое Z, но разное число нейтронов N. Поэтому изотопы имеют одинаковый химический элемент, но разные массовые числа.
Представления о нейтронах используются при изучении ядерных реакций, радиоактивности и деления тяжёлых ядер. Именно нейтроны часто участвуют в превращениях ядер, не испытывая электрического отталкивания.
Почему бериллиевое излучение сначала приняли за гамма-излучение?
Оно хорошо проникало через вещества и не отклонялось электрическим полем. Эти свойства характерны для гамма-излучения, поэтому сначала предположили, что бериллий испускает гамма-кванты.
Как опыты с парафином помогли обнаружить нейтрон?
При облучении парафина бериллиевым излучением из него вылетали протоны. Жолио-Кюри заметили это явление, а Чедвик измерил энергии протонов и показал, что их выбивают нейтральные частицы большой массы.
Почему нейтрон нельзя считать гамма-квантом?
Гамма-квант является электромагнитным излучением и не имеет массы покоя. Нейтрон — массивная частица с массой, близкой к массе протона, хотя его электрический заряд равен нулю.
Как определить число нейтронов в ядре?
Из массового числа A вычитают протонное число Z: N = A − Z. Например, в ядре ¹²C при Z = 6 содержится N = 12 − 6 = 6 нейтронов.
Как проверить уравнение реакции, в которой образуется нейтрон?
Нужно отдельно сравнить суммы массовых чисел и зарядовых чисел слева и справа. В реакции ⁹Be + ⁴He → ¹²C + n получаем 13 = 12 + 1 и 4 + 2 = 6 + 0, поэтому запись согласуется с законами сохранения.
§ 103. Открытие нейтрона
