§ 7.10. Открытие нейтрона

Определения и обозначения

Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. Его заряд равен нулю, масса примерно 1,675 · 10⁻²⁷ кг и близка к массе протона, обозначение — n. Это главное различие между нейтроном и протоном: нейтрон не меняет заряд ядра, но увеличивает его массу.

Нейтронное излучение — поток нейтронов, возникающий в ядерных реакциях. В опытах по открытию нейтрона его получали при облучении бериллия альфа-частицами. Понятие нужно, чтобы отличать поток частиц от электромагнитного излучения, например гамма-квантов.

Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами, сопровождающееся образованием новых ядер и частиц. В такой реакции проверяют сохранение электрического заряда, массового числа, энергии и импульса. Это позволяет устанавливать, какие частицы возникли в опыте.

Изотоп — разновидность атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов. Поэтому изотопы имеют один и тот же заряд ядра, но разные массовые числа. Такое определение стало понятным после включения нейтронов в модель ядра.

Как это устроено

При бомбардировке бериллия альфа-частицами наблюдали неизвестное проникающее излучение. Проблема состояла в том, что ядро тогда представляли состоящим только из протонов, а электроны считали связанными с ним для объяснения нейтральности атома. Такая модель не давала убедительного способа получить из ядра поток незаряженных частиц с большой проникающей способностью.

Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри направили бериллиевое излучение на парафин, содержащий много водорода. Из парафина вылетали протоны, то есть ядра атомов водорода. Поскольку протон тяжёлый по сравнению с электроном, заметный отскок означал, что налетающая частица передаёт ему значительную энергию и импульс.

Сначала предположили, что бериллиевое излучение состоит из гамма-квантов высокой энергии. Чедвик проверил эту гипотезу не только по энергии вылетающих протонов, но и по их импульсу. Оказалось, что для передачи протону наблюдаемого импульса гамма-квант должен иметь такую энергию, которая не согласуется с измеренной энергией отдачи и законами сохранения.

Чедвик предложил считать излучение потоком незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона. При столкновении такая частица может передать протону большую долю своей энергии и импульса, поэтому наблюдаемый отскок объясняется естественно. Так на основании законов сохранения энергии и импульса был сделан вывод о существовании нейтрона, открытого Чедвиком в 1932 году.

Открытие изменило модель атомного ядра: теперь его стали описывать как систему протонов и нейтронов. Число протонов определяет химический элемент, а нейтроны добавляют массу и влияют на устойчивость ядра. Если число протонов одинаково, а число нейтронов различается, возникают изотопы одного элемента.

Сравнение основных частиц атома

Таблица помогает не путать частицы по заряду, массе и расположению в атоме. Особенно полезно сравнить протон и нейтрон: их массы близки, но только протон имеет электрический заряд. По строке о роли в ядре можно понять, почему изменение числа нейтронов создаёт изотопы.

Разбор задач

Задача 1. Бериллиевое излучение

Условие. Объясните, почему при облучении бериллия альфа-частицами возникает излучение, способное выбивать протоны из парафина. Нужно связать наблюдение с ядерной реакцией и передачей импульса.

1. Альфа-частица сталкивается с ядром бериллия, поэтому происходит ядерная реакция, а не простое нагревание вещества.
2. В результате реакции появляются ядро углерода и нейтрон: ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n.
3. Нейтроны не имеют заряда, но обладают массой и скоростью, поэтому переносят импульс.
4. При столкновении с ядрами водорода в парафине нейтрон передаёт им импульс, и протоны вылетают.

Ответ. Бериллиевое излучение возникает в ядерной реакции и состоит из нейтронов. Выбивание протонов объясняется передачей им импульса при столкновениях.

Задача 2. Гамма-кванты или нейтроны?

Условие. Сравните две гипотезы о природе бериллиевого излучения: поток гамма-квантов и поток нейтронов. Объясните, какая гипотеза согласуется со способностью излучения выбивать быстрые протоны из парафина.

1. Гамма-квант не имеет массы покоя, и его импульс связан с энергией формулой p = E/c.
2. Чтобы передать тяжёлому протону наблюдаемый импульс, гамма-квант должен обладать очень большой энергией.
3. Такая энергия не согласуется с энергией, определённой по движению протонов, поэтому одновременно сохранить энергию и импульс нельзя.
4. У нейтрона масса близка к массе протона, поэтому при столкновении он эффективно передаёт протону энергию и импульс.

Ответ. Гипотеза о гамма-квантах противоречит совместному сохранению энергии и импульса. Наблюдения объясняются потоком нейтронов.

Задача 3. Реакция образования нейтрона

Условие. Запишите реакцию образования нейтрона при бомбардировке бериллия альфа-частицами и проверьте, какие величины сохраняются. Используйте обозначения ядер с массовым числом сверху и зарядовым числом снизу.

1. Записываем исходные частицы: ⁹₄Be и ⁴₂He.
2. После реакции образуется ядро углерода ¹²₆C и нейтрон ¹₀n.
3. Проверяем массовые числа: 9 + 4 = 12 + 1, то есть 13 = 13.
4. Проверяем заряды: 4 + 2 = 6 + 0, то есть 6 = 6.

Ответ. Реакция имеет вид ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n. В ней сохраняются массовое число и электрический заряд; также выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Типичные ошибки

Нейтрон считают протоном с нулевым зарядом. Частицы действительно имеют близкие массы, но нейтрон является самостоятельной частицей со своими свойствами. Проверьте себя по обозначению и заряду: n, q = 0, тогда как p имеет заряд +e.

Выбивание протонов объясняют только большой энергией гамма-квантов. Такая версия учитывает энергию, но забывает об импульсе тяжёлого протона. Проверяйте гипотезу сразу по двум законам сохранения, а не по одному наблюдаемому эффекту.

Массовое число путают с числом нейтронов. Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов: A = Z + N. Чтобы найти число нейтронов, нужно вычесть зарядовое число: N = A − Z.

Ядерную реакцию записывают без проверки. Из-за этого могут не совпасть заряды или массовые числа слева и справа. После записи сложите верхние и нижние индексы отдельно: обе суммы должны быть одинаковыми.

Связь с другими темами

До изучения открытия нейтрона нужны знания о составе атома и ядра, электрическом заряде, массовом числе и изотопах. Также понадобятся законы сохранения энергии и импульса, потому что именно они позволяют сравнить гипотезы о природе бериллиевого излучения.

Открытие нейтрона стало основой для изучения строения ядер, радиоактивности и ядерных реакций. Без нейтронов невозможно полноценно объяснить цепную реакцию деления и устройство многих ядер.

Следующая логическая ступень — протонно-нейтронная модель ядра. Позднее свойства нейтронов используют при исследовании ядер и в практических применениях ядерной физики.

Что запомнить

• Нейтрон — электрически нейтральная частица с массой, близкой к массе протона.
• Нейтроны входят в состав атомных ядер вместе с протонами.
• Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году.
• Бериллиевое излучение возникает при взаимодействии альфа-частиц с ядрами бериллия.
• Способность этого излучения выбивать протоны из парафина свидетельствует о наличии тяжёлых нейтральных частиц.
• В ядерных реакциях должны сохраняться электрический заряд и массовое число.
• Различие числа нейтронов объясняет существование изотопов одного химического элемента.