Открытие протона и нейтрона

После открытия явления радиоактивности команда ученых под руководством Эрнеста Резерфорда проводила серию экспериментов, которые мы подробно рассматривали на одном из предыдущих уроков. Результаты этих исследований показали несостоятельность модели атома Томсона и привели Резерфорда к созданию ядерной (планетарной) модели атома (рисунок 1) в 1911 году. Согласно этой модели почти вся масса атома и его положительный заряд сосредоточены в очень маленьком ядре. Вокруг этого ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца.

После открытия атомного ядра ученые смогли по новому взглянуть на экспериментальные данные о массах атомов различных химических элементов и количестве электронов в них. Все указывало на то, что атомное ядро не является простым и неделимым объектом, а имеет внутреннее строение — состоит из каких-то более мелких частиц.

На данном уроке мы познакомимся с основными экспериментами и теоретическими выводами, позволившими установить состав атомного ядра. Так мы узнаем, как были открыты протон и нейтрон.

Ядро атома водорода

К началу XX века атомные массы многих химических элементов уже были измерены опытным путем. При сравнении этих масс было замечено, что массы атомов большинства элементов кратны массе атома водорода (рисунок 2). Например, масса атома углерода приблизительно равна массе 12 атомов водорода: $m_C \approx 12m_H$.

К тому же водород — самый легкий химический элемент (рисунок 3). Он состоит из одного электрона и положительно заряженного ядра. Эти свойства и отношения масс наводили ученых на мысль, что атом водорода может играть роль основной «строительной единицы» более тяжелых атомов.

В результате в 1913 году Эрнест Резерфорд выдвинул гипотезу, что ядро атома водорода входит в состав атомных ядер всех химических элементов.

{"questions":[{"content":"Какой химический элемент обладает наименьшей массой?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Водород","Углерод","Азот","Гелий"],"answer":[0]}}}]}

Взаимодействие альфа-частиц с ядрами атомов азота

Для подтверждения гипотезы Резерфорда требовались прямые экспериментальные доказательства, а не только рассуждения. Так начались новые исследования.

Метод сцинтилляций

В 1919 году Резерфорд провел опыт по исследованию взаимодействия $\alpha$-частиц (рисунок 4) с ядрами атомов азота.

Внутрь вакуумной камеры он поместил источник $\alpha$-частиц. Небольшое окно на одной из стенок камеры закрыл металлической фольгой (рисунок 5). Толщина этой фольги была выбрана таким образом, чтобы почти все $\alpha$-частицы не могли пройти сквозь нее.

За фольгой ученый разместил экран, покрытый сернистым цинком — сцинтиллятором, и направил на него микроскоп.

Когда источник находился в вакууме, на экране появлялись редкие вспышки (рисунок 6, а). Это единичные $\alpha$-частицы смогли пройти сквозь фольгу.

А когда камеру заполнили газообразным азотом, наблюдаемая картина сильно изменилась. Теперь на экране возникали множественные световые вспышки (рисунок 6, б). Это означало, что появился дополнительный поток каких-то частиц, которые легко проникали через фольгу.

Оказалось, что $\alpha$-частица при попадании в ядро атома азота выбивает из него какую-то частицу. Эта частица обладает большой скоростью и положительным зарядом.

Резерфорд заявил, что эта неизвестная частица — ядро атома водорода. В своей последующей работе он назвал его протоном (от греческого «protos» — первый).

Но не забывайте, что наблюдение в ходе эксперимента велось методом сцинтилляций. Поэтому нельзя было точно определить, какая именно частица вылетает из ядра атома азота: $\alpha$-частица, протон или что-то совсем другое. Таким образом, было неясно, прав Резерфорд или нет.

{"questions":[{"content":"$\\alpha$-частица представляет собой [[fill_choice_big-10]].","widgets":{"fill_choice_big-10":{"type":"fill_choice_big","options":["атом гелия, потерявший два электрона","свободный электрон","изотоп атома водорода","атом водорода с дополнительным электроном"],"answer":0}}}]}

Камера Вильсона

Спустя несколько лет (в середине 1920-х) у ученых появилась возможность исследовать взаимодействие $\alpha$-частиц с ядрами атомов азота в камере Вильсона.  В этой установке движение заряженных частиц проявляется в виде треков — конденсационных следов траекторий в пересыщенном паре. Это позволило ученым анализировать характер их движения после взаимодействия.

На рисунке 7 показаны полученные треки.

Мы видим расходящиеся веером почти прямые линии. Это следы $\alpha$-частиц, которые пролетели сквозь пространство камеры без прямых соударений с ядрами атомов азота. Но след одной частицы выделяется из общей картины — раздваивается (рисунок 8). Образуется так называемая «вилка».

Это значит, что в точке раздвоения трека произошло взаимодействие $\alpha$-частицы с ядром атома азота. В результате образовались два новых ядра.

Далее камеру Вильсона поместили в магнитное поле и проанализировали искривленные траектории этих ядер. Оказалось, что одно из образовавшихся ядер является ядром атома кислорода. Второе же ядро является ядром атома водорода — протоном.

{"questions":[{"content":"В результате взаимодействия $\\alpha$-частиц с ядрами атомов азота образуются [[fill_choice_big-5]].","widgets":{"fill_choice_big-5":{"type":"fill_choice_big","options":["ядра атомов кислорода и протоны","свободные нейтроны","ядра атомов углерода и свободные электроны","новые $\\alpha$-частицы"],"answer":0}}}]}

Первая искусственно вызванная ядерная реакция

Наблюдения в камере Вильсона позволили полностью прояснить результаты опыта, впервые проведенного Резерфордом в 1919 году. Стало ясно, что при взаимодействии $\alpha$-частицы с ядром атома азота из него выбивается протон. При этом само ядро атома азота превращается в ядро атома кислорода. Получается, что в ходе опыта происходит превращение ядра одного химического элемента в ядро другого (рисунок 9).

$^{14}_{7}\text{N} \space + \space ^4_2\text{He} \rightarrow \space ^{17}_8\text{O} \space + \space ^1_1\text{p}$

Такое превращение (рисунок 10) называется ядерной реакцией.

Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другой частицей или ядром, в результате которого исходное ядро превращается в новые ядра и/или частицы.

До этого мы рассматривали радиоактивные распады ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$), при которых ядра самопроизвольно превращаются в другие ядра без какого-либо внешнего воздействия (рисунок 11). Такие процессы также относятся к ядерным реакциям, поскольку в них изменяется состав атомного ядра или его состояние.

В рассмотренном нами опыте ученые целенаправленно направляли $\alpha$-частицы на ядра атомов азота. То есть они создавали условия для протекания реакции искусственно. Поэтому данный процесс относится к искусственно вызванным ядерным реакциям.

Так опыт, проведенный Резерфордом еще в 1919 году, был признан одним из важнейших в истории ядерной физики. А наблюдаемая реакция стала первой известной искусственно вызванной ядерной реакцией.

{"questions":[{"content":"Первая искусственно вызванная ядерная реакция:<br />$^{14}_{7}\\text{N} \\space + \\space ^4_2\\text{He} \\rightarrow$ [[fill_choice_big-14]].","widgets":{"fill_choice_big-14":{"type":"fill_choice_big","options":["$^{17}_{8}\\text{O} \\space + \\space ^1_1\\text{p}$","$^{10}_{5}\\text{B} \\space + \\space ^4_2\\text{He}$","$^{17}_{8}\\text{O} \\space + \\space ^1_0\\text{n}$","$^{6}_{3}\\text{Li} \\space + \\space ^{12}_{6}\\text{C}$"],"answer":0}}}]}

Протон

Из результатов рассмотренной реакции последовал важный вывод.

Ядро атома водорода существует как самостоятельная частица, которая может входить в состав других ядер.

Именно эту частицу Резерфорд назвал протоном (рисунок 12). Таким образом, открытие протона было связано с экспериментально подтвержденными данными.

Чаще всего протон в ядерных уравнениях обозначают так: $^1_1{p}$. Но иногда вы можете встретить и другое обозначение — $^1_1{H}$, ведь протон и является ядром атома водорода.

• Масса протона приблизительно равна $1 \space а. \space е. \space м.$, а точнее — $1.0072765 \space а. \space е. \space м.$ или $1.6726219 \cdot 10^{−27} \space кг$.
• Заряд протона — положительный. Он равен элементарному заряду (то есть модулю заряда электрона) $e$ или $q = 1.602176634 \cdot 10^{−19} \space Кл$.

Число протонов в ядре определяет, какому химическому элементу принадлежит атом.

Также число протонов определяет заряд ядра (или его зарядовое число). Например, если в ядре 4 протона, то заряд ядра равен $+4e$ или просто $+4$ в элементарных единицах; если 6 протонов — $+6$ и т. д. Так именно заряд ядра задает положение элемента в периодической таблице (рисунок 13). Поэтому изменение числа протонов приводит к превращению одного элемента в другой.

Дальнейшие опыты с $\alpha$-частицами и ядрами других химических элементов показали, что из них также выбиваются протоны. Это позволило сделать обобщающий вывод.

Протоны входят в состав ядер всех химических элементов.

{"questions":[{"content":"Если в периодической таблице химический элемент находится  под номером «8», значит, в ядре его атома [[fill_choice_big-31]].","widgets":{"fill_choice_big-31":{"type":"fill_choice_big","options":["8 протонов","4 протона","8 нейтронов","8 нуклонов"],"answer":0}}}]}

Гипотеза о нейтральной частице

После открытия протона исследования атомного ядра не закончились. Ученым стало ясно, что в ядрах присутствуют еще какие-то неизвестные частицы. Ведь если считать, что ядра состоят только из протонов, то возникает противоречие. Рассмотрим, в чем оно заключается, на примере ядра атома бериллия $^9_4\text{Be}$.

Допустим, что ядро бериллия состоит только из протонов (рисунок 14).

• Экспериментально было определено, что заряд ядра бериллия равен четырем элементарным зарядам. Значит, в ядре содержится 4 протона.
• Если бы в составе ядра были одни протоны, то его масса приблизительно была бы равна $4 \space а. \space е. \space м.$
• С другой стороны, опытные данные показывают, что масса ядра бериллия приблизительно равна $9 \space а. \space е. \space м.$

Так, масса оказывается почти в два раза больше ожидаемой. Следовательно, в ядре должны присутствовать еще какие-то частицы. Они не обладают электрическим зарядом, но имеют значительную массу.

Поэтому в 1920 году Резерфорд высказал предположение о существовании в ядре некой электрически нейтральной частицы с массой, приблизительно равной массе протона.

{"questions":[{"content":"Атомное ядро состоит [[fill_choice_big-35]].","widgets":{"fill_choice_big-35":{"type":"fill_choice_big","options":["из протонов и нейтронов","только из протонов","только из нейтронов","из протонов, нейтронов и электронов"],"answer":0}}}]}

Бериллиевое излучение

Несмотря на догадки Резерфорда, долгое время эта неизвестная частица оставалась неуловимой. Она не отклонялась в электрических и магнитных полях. Также она не оставляла заметных треков в камере Вильсона.

В начале 30-х годов XX века ученые открывают неизвестные ранее лучи — бериллиевое излучение. Оно возникает при бомбардировке атомов бериллия $\alpha$-частицами и обладает очень большой проникающей способностью. Изначально считали, что это поток $\gamma$-квантов. Но дальнейшие исследования показали, что это излучение выбивает протоны из ядер легких элементов (рисунок 15). 

Решающий шаг в исследовании состава атомного ядра был сделан в 1932 году. Ученик Резерфорда Джеймс Чедвик провел серию опытов в камере Вильсона с бериллиевым излучением:

• изучая взаимодействие с другими частицами, он сделал вывод, что масса каждой частицы бериллиевого излучения приблизительно равна массе протона;
• так как не было замечено отклонений ни в электрическом, ни в магнитных полях, Чедвик сделал вывод, что неизвестные частицы являются электрически нейтральными.

То есть бериллиевое излучение является потоком электрически нейтральных частиц. Чедвик назвал эти частицы нейтронами (от латинского «neuter» — «ни тот, ни другой» или «нейтральный»). Так была установлена структура атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов.

{"questions":[{"content":"Бериллиевое излучение представляет собой [[fill_choice_big-44]].","widgets":{"fill_choice_big-44":{"type":"fill_choice_big","options":["поток нейтронов","естественное радиоактивное излучение","$\\gamma$-излучение","поток электронов"],"answer":0}}}]}

Нейтрон

Нейтрон принято обозначать символом $^1_0{n}$ (рисунок 16).

Во многих случаях массу нейтрона считают равной массе протона (приблизительно $1 \space а. \space е. \space м.$) Точные измерения показали, что нейтрон чуть тяжелее протона: его масса равна $1.0086649\space а. \space е. \space м.$

Нейтроны не имеют электрического заряда. Поэтому они могут легко проникать в атомные ядра, не испытывая отталкивания со стороны положительно заряженного ядра. Именно это свойство делает нейтроны особенно удобными «инструментами» для изучения ядерных процессов.

Кроме того, свободные нейтроны (не входящие в состав ядра) являются неустойчивыми. Через некоторое время такой нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и антинейтрино (рисунок 17). Однако внутри атомных ядер нейтроны могут существовать сколько угодно долго, обеспечивая устойчивость ядра.

{"questions":[{"content":"Электрический заряд нейтрона равен [[fill_choice_big-48]].","widgets":{"fill_choice_big-48":{"type":"fill_choice_big","options":["$0$","$+1e$","$−1e$"],"answer":0}}}]}

Современные представления о протоне и нейтроне

После открытия протонов и нейтронов некоторое время эти частицы считались элементарными — такими, которые не имеют внутреннего строения. Это было связано с тем, что на уровне экспериментов первой половины XX века не существовало методов, позволяющих «заглянуть внутрь» этих частиц.

Но в 1960-х годах было установлено, что протон и нейтрон имеют сложное внутреннее строение. Они состоят из кварков (рисунок 18). Эти фундаментальные частицы всегда находятся внутри других частиц и не могут существовать отдельно от них в свободном виде.

• Протон состоит из трех кварков: двух $u$-кварков и одного $d$-кварка.
• Нейтрон тоже состоит трех кварков: двух $d$-кварков и одного $u$-кварка.

Кварки удерживаются вместе особыми силами, которые передаются частицами, называемыми глюонами ($g$).

Таким образом, хотя протон был открыт в 1919 году, а нейтрон — в 1932 году, их внутреннее строение стало известно лишь спустя несколько десятилетий.

Упражнение

Рассмотрите запись ядерной реакции взаимодействия ядер азота и гелия, в результате которой образуются ядра кислорода и водорода:
$^{14}_{7}\text{N} \space + \space ^4_2\text{He} \rightarrow \space ^{17}_8\text{O} \space + \space ^1_1\text{H}$.
Сравните суммарный заряд взаимодействующих ядер с суммарным зарядом ядер, образованных в результате этого взаимодействия. Сделайте вывод о том, выполняется ли закон сохранения электрического заряда в данной реакции.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Суммарный заряд до взаимодействия: $7 \space + \space 2 = 9$.
Суммарный заряд после взаимодействия: $8 \space + \space 1 = 9$.

Мы видим, что в данной реакции выполняется закон сохранения электрического заряда.

Часто задаваемые вопросы