4. Состав атомного ядра

    Благодаря новым методам регистрации радиоактивности стало возможным изучать новые явления, которые раньше не поддавались исследованию, и, в частности, попытаться ответить на вопрос, как устроено атомное ядро. Для ответа на этот вопрос Резерфорд решил использовать столкновение α-частиц с ядрами легких химических элементов.
    Обстреливая α-частицами атомы водорода, Резерфорд обнаружил что нейтральные атомы водорода превращаются в положительно заряженные частицы. Резерфорду было известно, что легчайший атом Периодической системы водород состоит из ядра, имеющего единичный положительный заряд, и электрона. Следовательно, при столкновении с атомом водорода α-частица подходила достаточно близко к ядру водорода и передавала ему часть энергии и импульса. Резерфорд назвал эти положительно заряженные частицы H атомами. Позже за ними укрепилось название «протоны». Одновременно Резерфорд установил, что взаимодействие между α-частицей и ядром водорода не подчиняется обнаруженному им ранее закону рассеяния α частиц на ядрах золота. При сближении α-частицы с ядром водорода силы взаимодействия между α-частицей и ядром водорода резко возрастали.

    Э. Резерфорд, 1920 г.: «В случае атомов с большим ядерным зарядом даже самая быстрая α-частица не может проникнуть в саму структуру ядра, так что мы можем лишь оценить его максимальные размеры. Однако в случае лёгких атомов, когда заряд ядра мал, при прямом столкновении α-частица приближается так близко к ядру, что мы можем оценить его размеры и составить некоторое представление о действующих силах. Наилучшим образом это видно в случае прямого столкновения α-частицы с атомом водорода. В этом случае H-атом приходит в столь быстрое движение, что он проходит в четыре раза больший путь, чем сталкивающаяся с ним α-частица, и может быть зарегистрирован по сцинтилляции, вызываемой им на экране из сернистого цинка… Я показал, что эти сцинтилляции обусловлены атомами водорода, несущими единичный положительный заряд… Соотношение между числом и скоростью этих H-атомов совершенно отлично от того, которое следовало ожидать, если рассматривать α-частицу и H-атом как точечные заряды. В результате столкновения с быстрыми α-частицами получаются H-атомы, которые почти с одинаковыми скоростями летят по направлению налетающих α-частиц. Отсюда было выведено, что закон обратной пропорциональ­ности квадрату расстояния становится несправедливым, когда ядра приближаются друг к другу на расстояние меньшее 3·10^-13 см. Это служит указанием на то, что ядра имеют размеры этого порядка величины и что силы между ядрами очень быстро меняются по величине и направлению на расстояниях, сравнимых с обычно принятыми размерами диаметра электрона. Было указано, что при таких близких столкновениях между ядрами развиваются огромные силы и что, возможно, при столкновении структура ядер претерпевает значительную деформацию. Тот факт, что ядро гелия, которое, как можно предполагать, состоит из четырех H-атомов и двух электронов, выдерживает это столкновение свидетельствует о чрезвычайной устойчивости его структуры.»

    В результате изучения взаимодействия α-частиц с атомами водорода был обнаружен протон – ядро атома водорода. Резерфорд продолжает эксперименты по исследованию взаимодействия α-частиц с лёгкими атомами и в 1919 г. обнаруживает, что при облучении α-частицами атомов азота из атома вылетают протоны. Следовательно, протоны входят в состав атомных ядер. Но при этом под действием α-частиц должно было произойти изменение ядра атома азота. Его заряд должен уменьшиться на единицу – ядро азота должно превратиться в ядро кислорода.
    Впервые Резерфорд сделал то, что на протяжении веков не удавалось алхимикам – он искусственно превратил один химический элемент в другой.
    В течение нескольких последующих лет Резерфорд с учениками осуществил искусственное превращение около десяти лёгких химических элементов – бора, фтора, лития, натрия, фосфора и других.

    Э. Резерфорд: «Атомы нескольких легких элементов были подвержены бомбарди­ровке очень большим количеством α-частиц. Выполнив эти опыты, я в 1919 г. получил экспериментальные доказательства того, что небольшое число атомов азота при бомбардировке распалось, испустив быстрые ядра водорода, известные теперь под названием протонов …

.

    Всего лишь одна α-частица из 50000 приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной…
    В более ранних статьях, loc. cit., я описал явления, происходящие при тесных столкновениях быстрых α-частиц с легкими атомами вещества, с целью определить, не могут ли подвергаться разложению ядра некоторых легких атомов под влиянием огромных сил, развивающихся при таких тесных столкновениях. В этих статьях было дано доказательство того, что при прохождении α-частиц через сухой азот возникают быстрые частицы, весьма напоминающие по яркости сцинтилляций и дальности проникновения атомы водорода, приведенные в движение под влиянием столкновения с α частицами. Далее было показано, что эти быстрые атомы, которые появляются только в сухом азоте, но не в кислороде или в угольной кислоте, не могут быть приписаны присутствию водяного пара или другого вещества, содержащего водород, но что они должны возникать при столкновении α-частиц с атомами азота…
    В предыдущей работе я показал, что частицы с большим пробегом, наблюдавшиеся в сухом воздухе и в чистом азоте, должны возникать из самих атомов азота. Таким образом ясно, что некоторые атомы азота разрушаются при столкновениях с быстрыми α-частицами и что при этом возникают быстрые атомы положительно заряженного водорода. Отсюда надо заключить, что заряженный атом водорода является одним из компонентов ядра азота».

1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. ¹⁴N(α,p)¹⁷O

1 – микроскоп для наблюдений сцинтилляций, 2 – серебряная пластинка для поглощения α-частиц, 3 – экран из сернистого цинка, 7 – источник α-частиц

    Н-лучи. Из корпускулярных лучей, возникающих при столкновении α-лучей с лёгкими атомами, наиболее изучены лучи водорода, так как они обладают наибольшей проникающей способностью. Эти лучи образуются атомами водорода, потерявшими свой электрон, т.е. протонами. Их обозначают символом H… Чтобы наблюдать H-лучи, сначала пользовались их общим с α-лучами свойством вызывать сцинтилляции на экране с серистым цинком… В качестве источника H-лучей можно вместо водорода пользоваться веществом богатым водородом, например, парафином, в виде очень тонкой плёнки, обычно накладываемой прямо на источник.

М.Кюри. «Радиоактивность. Лучи водорода и других лёгких атомов».

    Наполняя камеру азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляции пропадает. Это происходит тогда, когда α-лучи, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества H-лучей с пробегом в несколько раз большим, чем испускалось источником. Если вместо азота взять другой газ, например углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение — в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных H-лучей больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота. Так было доказано разложение азота и принципиально решена задача алхимии.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. ¹⁴N(α,p)¹⁷O

Фотография в камере Вильсона следов α-частиц в азоте.

    Открытие радиоактивного распада атомов оживило алхимическую идею превращения одного элемента в другой. До 1930 г. в течение десятилетий проводились многочисленные опыты этого рода, особенно посредством вольтовой дуги. Но эти мнимые превращения не устояли перед критикой. Превращение достигается, как мы теперь знаем, только методом концентрации необходимого количества энергии на отдельном атоме при бомбардировке его другими атомами или γ-квантами. Но и при этих экспериментах вначале (1907 г.) были ошибочные результаты. Первое действительное искусственное превращение атомов удалось в 1919 г. Резерфорду. Он облучал азот α-частицами и получил при этом протоны с большой длиной пробега. Фотографии этого явления в камере Вильсона, сделанные П. Блэкеттом, ясно показали, наряду с длинным следом протона, короткий след возникшего кроме него изотопа кислорода с атомным весом 17. В период от 1921 г. до 1924 г. Резерфорд и Чедвик смогли доказать существование этой реакции – поглощение α-частицы и испускание протона – также у всех элементов от бора (порядковое число 5) до калия (порядковое число 19), за исключением углерода и кислорода. Кроме протона в этих реакциях постоянно возникает элемент, следующий по порядку в периодической системе.

М. Лауэ «История физики»

    Обнаружив в составе атомного ядра протоны, Резерфорд предложил протон-электронную модель ядра. Протоны определяли массу атомного ядра, а электроны частично компенсировали электрический заряд протонов, что приводило к нужному значению заряда ядра. Так, например, считалось, что ядро, имеющее заряд +2e, состоит из 4 протонов и 2 электронов. Важным аргументом в пользу протон-электронной модели был β^--распад атомных ядер. Это явление можно было легко объяснить, если считать, что электроны входят в состав атомного ядра. Протон-электронная модель ядра встречала определенные возражения, основным из которых было то, что она не могла объяснить значение спинов атомных ядер. Однако она просуществовала до открытия нейтрона в 1932 г.

    Э. Резерфорд, 1920 г.: «Из изучения радиоактивности известно, что ядра радио­активных элементов частично состоят из ядер гелия с зарядом 2e. Кроме того, у нас имеются серьёзные основания считать, что ядра атомов наряду с положительно заряженными частицами содержат также и электроны и что положительный заряд ядра соответствует избытку общего положительного заряда над отрицательным. Интересно отметить совершенно различную роль, которую играют электроны вне атома и внутри него. В первом случае они располагаются на расстоянии от ядра, которое, несомненно, определяется, главным образом, зарядом ядра и взаимодействием их собственных полей. Внутри ядра электроны образуют очень тесное и прочное объединение с положительно заряженными единицами и, насколько нам известно, именно вне ядра они находятся в неустойчивом состоянии. Каждый внешний электрон, несомненно, взаимодействует с ядром как точечный заряд, тогда как о внутреннем электроне этого сказать нельзя. По-видимому, внутренние электроны под влиянием огромных сил сильно деформируются, и силы в этом случае могут совершенно отличаться от тех сил, которые можно ожидать от недеформированного электрона, как, например, вне ядра. Быть может, поэтому электрон может играть столь различную роль в этих двух случаях и даже образовывать стабильные системы».

    Дискуссия о структуре атомного ядра. В феврале 1929 г. в Лондонском королевском обществе была проведена дискуссия о структуре атомного ядра. Ниже приведены сокращенные выступления Э. Резерфорда, Дж. Чедвика и Р. Фаулера.

Э. Резерфорд: «Теперь мы уже можем составить себе картину постепенного построения атомных ядер. Вероятно, у легких элементов ядро состоит из комбинации α-частиц, протонов и электронов, причем отделение части ядра сильно притягивают друг другу, отчасти вследствие возмущающих, отчасти вследствие магнитных сил. О природе этих сил мы пока что, можем только строить то или иное предположение. Прежде всего образуется сильно сконцентрированное и крепко связанное ядро, причем процесс этот сопровождается излучением энергии. Для атомного веса, примерно равного 120, мы имеем наименьшую массу, что означает наиболее тесную связь. При дальнейшем возрастании атомных номеров, добавляемые частицы оказываются связанными все менее и менее плотно.
    Таким образом, можно предположить, что ядро имеет очень плотную структуру около центра, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра. Вся эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету α-частиц. Может бить, эта статическая точка зрения не нравится моим друзьям-теоретикам, которые хотели бы представлять α-частице полную свободу передвижения внутри ядра. Тем не менее, эта точка зрения вполне законна и находится в полном согласии с изложенными мною идеями. Другими словами, если бы мы могли сделать моментальный снимок с ядра – с выдержкой около 10^–28 секунды, – мы увидели бы в центре как бы плотно упакованные, крепко связанные α-частицы, причем плотность убывала бы с увеличением расстояния от центра. Без сомнения, все α частицы находятся в движении, и волны их отражаются от силовых барьеров, а иногда и проникают за пределы системы. Мне кажется, что развитая мною точка зрения вполне обоснована, и я надеюсь, что наши друзья-теоретики смогут описать более детально всю картину. Мы должны не только объяснить построение ядра из α-частиц, – нам приходится найти еще место и для электронов, а запереть электроны в одну клетку с α частицей не так-то легко. Однако я настолько уверен в изобретательности наших друзей-теоретиков, что я твердо верю, что они превзойдут каким-нибудь образом и эту трудность.
    Изложенная мною точка зрения объясняет, мне кажется, почему не могут существовать атомы тяжелого урана. С увеличением массы ядро получало бы все больше и больше энергии и стало бы настолько радиоактивным, что исчезло бы. По-видимому, чем больше был бы у ядер запас энергии, тем скорее они исчезали бы, и, вероятно, уран и торий не случайно являются единственными выжившими представителями тяжелых ядер. Здесь не место затрагивать в высшей степени спекулятивный вопрос о том, как образовались ядра элементов. Прежде чем браться за решение этого вопроса, нам нужно узнать гораздо больше о деталях структуры самого ядра».

    Дж. Чедвик: «При бомбардировке некоторых элементов α-частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разложение ядра происходит когда α-частица проникает внутрь ядра и задерживается там, в результате чего вылетает протон. Вероятность разложения мала; так, например, в благоприятном случае, когда бомбардируется азот, разлагается 20 ядер на каждый 10⁶ α-частиц. Вследствие редкости этого эффекта, а также из-за различных экспериментальных трудностей, сведения, добытые нами по сих пор, еще довольно скудны. За исключением углерода и кислорода, все элементы от бора до калия включительно разлагаются при бомбардировке их α-частицами и испускают при этом протон, обладающий значительной энергией. Это значит, что ядра всех этих элементов содержат протоны. Углерод и кислород, если они вообще разлагаются, не испускают частиц с энергией, превышающей энергию рассеянных α-частиц. Возможно, что они разлагаются на ядра гелия, но доказательств для этого пока нет. Некоторые протоны, освободившиеся при искусственном разложении, имеют очень большие энергии, например, энергия протонов, выбитых из алюминия α-частицами радия G, на 40% превышает энергию ударяющих α-частиц. Таким образом в некоторых случаях при разложении освобождается энергия. Существует резкая разница в поведении элементов с четным и нечетным атомным номером. Протоны, вылетающие из нечетных элементов, имеют гораздо большую максимальную энергию, нежели протоны из четных элементов. При разложении, состоящем только в уловлении α-частицы и испускании протона, элемент с нечетным номером переходит в элемент с четным номером, и наоборот. Рассматривая различное поведение четных и нечетных элементов, а также их сравнительное изобилие в природе и их атомные массы, можно сделать заключение, что четные элементы более устойчивы, чем нечетные».

    Р. Фаулер: «Я хотел бы изложить вам, в чем может нам в дискуссии о строении и свойствах ядра помочь новая квантовая теория. Этот вопрос уже был намечен председателем в его вступительном слове. Я хотел бы несколько развить его. Первое, что надо иметь в виду, это то, что новая квантовая механика развилась логическим путем, основываясь на свойствах электронов в атомах. Мы должны предположить, что частицы имеют много свойств, присущих волнам. Назовем ли мы их частицами или волнами, это дело вкуса, Выбор названия, скорее всего, зависит в каждом отдельном случае от их состояния. Раз частицы похожи на волны, мы должны ожидать, например, что они не всегда отразятся от барьеров определенной высоты. Они могут пройти сквозь барьер, конечно, только в некоторых случаях..
    То, что частицы могут проходить через такого рода барьер, очень важно для объяснения явления испускания α-частиц тяжелыми ядрами.
    Если представить себе ядро так, как мы уже говорили здесь сегодня, в виде некоторого небольшого ящика, окруженного до всех сторон (в трех измерениях) силовым барьером, то можно положить, что внутри него находится α-частица, которую надо представлять себе в виде волны, энергия которой меньше потенциальной энергии верхней части барьера. По классической теории, α-частица навеки останется внутри барьера. Но по квантовой теории существует конечная вероятность того, что волна пройдет через тонкую стенку и уйдет в бесконечность. Эта мысль лежит в основе квантовой теории испускания α-частиц. Идея эта была высказана независимо друг от друга Гамовым – с одной стороны и Герней и Кондоном – с другой. Всё они, и в особенности Гамов, разработали ее довольно детально.
    Когда α-частица проходит сквозь барьер, ее, конечно, нельзя уже отожествлять со стоячей волной. Правильно будет изображать α-частицу затухающим колебанием. Мы будем внутри барьера иметь затухающее колебание, т.е. гармоническое колебание с обыкновенным коэффициентом затухания, а снаружи очень слабую волну, соответствующую испусканию α частицы. На самом деле задачу эту можно решить очень хорошо, причем коэффициент затухания получается в виде мнимой части энергии. Это было с большим успехом проделано Гамовым.
    Он нашел, что для этих вычислений не имеет большого значения, какой именно вид вы предположите у внутренней части барьера. Главная же наружная часть его хорошо известна из опытов над рассеянием α-частиц.
    Вероятность для α-частицы проникнуть через барьер, в сильной мере зависит от энергии α-частицы. Чем больше ее энергия, тем тоньше барьер, который ей надо пройти, и тем меньше его высота. Поэтому, очевидно, существует очень тесная связь между энергией α-частицы, о которой мы судим по энергии вылетевшей α-частицы, и между вероятностью для этой α-частицы пробраться наружу, о которой мы судим по продолжительности жизни атома. Это и есть закон Гейгера-Неттола.
    В заключение скажу, что это очень красивая теория, и что мы можем быть абсолютно уверены' в том, что в общих чертах она правильна. Большая заслуга этой теории в том, что она дает закон Гейгера-Неттола совершенно независимо от деталей строения ядра».

    По мере того, как появлялись новые экспериментальные данные по спинам и магнитным моментам атомных ядер, трудности протон-электронной модели в описании этих характеристик атомных ядер нарастали. Особенно ярко это проявилось в так называемой «азотной катастрофе». Суть её состояла в следующем. Согласно протон-электронной модели ядро ¹⁴N должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Так как и протон, и электрон имеют собственное значение спина J = 1/2, полный спин ядра ¹⁴N должен иметь полуцелое значение, в то время как экспериментально измеренное значение спина ядра J(¹⁴N) = 1. Были и другие примеры расхождений предсказаний протон-электронной модели ядра с результатами эксперимента. Так, например, все атомные ядра, имеющие четное значение массового числа A, имели нулевое или целочисленное значение спина J, в то время как протон-электронная модель ядра в большинстве случаев предсказывала полуцелое значение спина. Измеренные значения магнитных моментов ядер оказались почти в 1000 раз меньше, чем предсказывала протон-электронная модель ядра. Стало ясно, что протон-электронная модель ядра содержит какую-то неправильную компоненту. Определенные неудобства создавали электроны, находящиеся в ограниченном объёме атомного ядра. Заточение электронов в ядре противоречило принципу неопределенности ΔpΔx = ћ.

    Э. Резерфорд, 1932 г.: «Дело представляется так, как если бы электрон внутри ядра вел себя совсем отлично от электрона на периферии атома. Эта трудность может быть создана нами самими, так как мне кажется более вероятным, что электрон не может существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре, но должен быть всегда соединенным с протоном или другой возможной массивной единицей. В этой связи замечательны указания на существование нейтронов в некоторых ядрах. Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов из легких электроны прибавляются парами, представляет большой интерес и подсказывает, что для образования устойчивого ядра существенно нейтрализовать большой магнитный момент электрона прибавлением другого электрона. Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и нейтроны массы 1 являются вторичными единицами в структуре ядра».

    Как показали дальнейшие события, представление Резерфорда о том, что может образовываться сильно связанное состояние протона и электрона, было ошибочным. Тем не менее, оно сыграло решающую роль в открытии нейтрона. В 1930–1932 гг. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении α-частицами бериллия Be образуется сильно проникающее нейтральное излучение. Все обнаруженные до сих пор излучения сильно поглощались тонкими слоями свинца, в то время как излучение из бериллия свободно проходило сквозь толстую свинцовую защиту. Возникло подозрение, что это новый вид электромагнитного излучения.
    Решающий эксперимент был выполнен в 1932 г. учеником Резерфорда Чедвиком. С помощью ионизационной камеры он измерил энергию отдачи ядер водорода и азота под действием нейтрального излучения из бериллия и показал, что в результате реакции

образуются быстрые нейтральные частицы с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, названные нейтронами, не имеют электрического заряда, свободно проходят через атомы, не производя ионизацию на своем пути.

    Дж. Чедвик, 1932 г.: «Недавно было обнаружено, что разложение элементов бериллия и бора представляет особый интерес. Боте и Беккером было найдено, что эти элементы, бомбардируемые α-частицами полония, испускают проницающую радиацию, по-видимому, γ-типа. Несколько месяцев тому назад И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительные наблюдения, показывающие, что это излучение имеет свойство выбрасывать протоны с большими скоростями из вещества, содержащего водород. Ими было найдено, что выбрасываемые радиацией бериллия протоны имеют скорости до 3∙10⁹ см/сек. Кюри и Жолио предположили, что это выбрасывание протона происходит благодаря процессу, аналогичному эффекту Комптона, и пришли к заключению, что радиация бериллия имеет квант с энергией около 50 млн. вольт-электронов. Принятие этого допущения вызывает две серьезных трудности. Во-первых, известно, что рассеяние кванта электроном хорошо описывается формулой Клейна-Нишина, и нет оснований предполагать, что сходные отношения не будут правильными для рассеяния протона. Наблюдаемое рассеяние, однако, слишком велико по сравнению с тем, какое дается формулой Клейна-Нишины. Во-вторых, трудно понять испускание кванта столь высокой энергии при превращении ⁹Ве + ⁴Не → ¹³С + квант. Поэтому я изучил свойства этой радиации, пользуясь особым счетчиком. Было найдено, что радиация выбрасывает частицы не только из водорода, но из гелия, лития, бериллия и т. п. и предположительно из всех элементов. Во всех случаях частицы, по-видимому, являются атомами отдачи элемента. По-видимому, невозможно приписывать выбрасывание этих частиц отдачи столкновению с квантом радиации, если энергия и импульс сохраняются при ударе.
    Удовлетворительное объяснение экспериментальных результатов может быть получено, если предположить, что радиация состоит не из квантов, но из частиц с массой 1 и зарядом 0, – нейтронов. В случае двух элементов, водорода и азота, пробег атомов отдачи был измерен с большой степенью точности, и отсюда были выведены их максимальные скорости. Они оказались соответственно 3,3∙10⁹ см/сек и 4,7∙10⁸ см/сек. Пусть М, V будет масса и скорость частицы, из которых состоит радиация. Тогда максимальная скорость, которая может быть сообщена при столкновении ядру водорода, будет:

а для азота:

отсюда:

,

и

M = 1,15.

    В пределах ошибок опыта М может быть принято за 1 и поэтому:

V = 3,3∙10⁹ см/сек.

    Так как радиация, обладает крайне большой проницающей силой, то частицы должны иметь заряд очень малый по сравнению с зарядом электрона. Предполагается, что этот заряд равен 0, и мы можем допустить, что нейтрон состоит из протона и электрона в очень тесной комбинации.
    Имеющиеся факты сильно поддерживают гипотезу о нейтронах. В случае бериллия, процесс превращения, который дает эмиссию нейтронов, есть ⁹Be + ⁴He → ¹²C + нейтрон. Можно показать, что наблюдения совместимы с энергетическими соотношениями в этом процессе. В случае бора, процесс превращения, вероятно, есть ¹¹В + ⁴Не → N¹⁴ + ¹n; в этом случае массы В¹¹, Н⁴е и ¹⁴N известны из измерений Астона, кинетическая энергия частиц может быть найдена экспериментально, и поэтому возможно получить более близкую оценку массы нейтрона. Выведенная таким образом масса равна 1,0067. Принимая во внимание ошибку в измерении массы, следует думать, что масса нейтрона, вероятно, лежит между 1,005 и 1,008. Эти значения поддерживают тот взгляд, что нейтрон есть комбинация протона и электрона и дает для энергии связи частиц около 1-2∙10⁶ вольт∙электронов.
    Нейтрон может быть изображен как маленький диполь, или, может быть лучше, как протон, погруженный в электрон. Так или иначе «радиус» нейтрона будет между 10^–13 см и 10^–12 см. Поле нейтрона должно быть очень мало, за исключением очень близких расстояний, и нейтроны при прохождении через вещество не будут подвергаться воздействию, за исключением тех случаев, когда они прямо попадают в атомное ядро. Измерения, сделанные над прохождением нейтронов через материю, дают результаты, находящиеся в общем согласии с этими взглядами Столкновение нейтронов с ядрами азота изучалось доктором Фезером, применявшим автоматическую камеру Вильсона. Он нашел, что в добавление к нормальным следам атомов отдачи азота, имеется еще некоторое число разветвляющихся путей. Это – следствие разложения ядра азота. В некоторых случаях нейтрон захватывается, испускается α-частица и образуется ядро В¹¹. В других случаях механизм еще неизвестен с определенностью»

1932 г. Дж. Чедвик. Открытие нейтрона

Джеймс Чедвик (1891 – 1974)

    «Однажды утром я прочел письмо Жолио-Кюри в «Comptes Rendus», в котором он сообщал о еще более удивительном свойстве излучения из бериллия, чрезвычайно поразительном свойстве. Спустя несколько минут в мою комнату вошел столь же удивленный, как и я, [Норман] Фезер, чтобы обратить мое внимание на эту статью. В то же утро, чуть позднее, я рассказал о ней Резерфорду. По давно уже установившейся традиции я должен был приходить к нему около 11 часов и докладывать интересные новости, а также обсуждать состояние работ в нашей лаборатории. По мере того как я рассказывал о наблюдениях Жолио-Кюри и их истолковании, я замечал нарастающее изумление Резерфорда; наконец, разразился взрыв: «Я не верю этому!» Столь нетерпимое замечание было совершенно не в духе Резерфорда, за все многолетнее сотрудничество с ним я не помню подобного случая. Отмечаю это лишь для того, чтобы подчеркнуть электризующее воздействие статьи Жолио-Кюри. Разумеется, Резерфорд сознавал, что придется поверить этим наблюдениям, но объяснение их — это уже совсем иное дело.
    Так случилось, что я был как раз готов начать эксперимент, для которого приготовил превосходный источник полония из балтиморского материала (использовалась радоновая трубка, привезенная обратно Фезером). Я начинал без всякой предвзятости, хотя, естественно, мои мысли вертелись вокруг нейтронов. Я был вполне уверен, что наблюдения Жолио-Кюри нельзя свести к эффекту типа комптоновского, так как я не раз пытался обнаружить его. Без сомнений, это было нечто совершенно новое и необычное. Нескольких дней напряженной работы оказалось достаточно, чтобы показать, что эти странные эффекты вызывались нейтральной частицей; мне удалось даже измерить ее массу. Нейтрон, постулированный Резерфордом в 1920 г., наконец-то дал себя обнаружить».

Нейтроны
Дж. Чедвик

    Боте и Беккер показали, что некоторые легкие элементы под влиянием бомбардировки α-частицами полония испускают излучение, по-видимому, имеющее характер γ-лучей. Элемент бериллий дает особенно заметный эффект этого рода, и последующие наблюдения Боте, Ирэны Кюри-Жолио и Вебстера показали, что излучение, возбуждаемое в бериллии, обладает проницающей способностью значительно большей, нежели какое бы то ни было из известных до сих пор γ-излучений радиоактивных элементов.
    Совсем недавно И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительное наблюдение, состоящее в том, что эти излучения бериллия и бора оказываются способными выбрасывать со значительной скоростью протоны из веществ, содержащих водород.
    Вследствие этого я поставил дальнейшие опыты с целью исследовать свойства излучения бериллия. Эти опыты показали, что излучение бериллия выбрасывает частицы не только из водорода, но из всех исследованных легких элементов. Экспериментальные результаты оказалось очень трудно объяснить с точки зрения гипотезы о квантовой природе излучения бериллия, но эти результаты вытекали, как непосредственные следствия, если предположить, что излучение бериллия состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона и без эффективного заряда, т. е. – из нейтронов.
    Появление нейтронов до сих пор наблюдалось только при бомбардировке некоторых элементов α-частицами. Этот процесс можно представить как захват α-частицы атомным ядром, сопровождающийся образованием нового ядра и освобождением нейтрона. Новое ядро должно при этом иметь заряд на две единицы, а массу на три единицы выше, чем первоначальное ядро. «Выход» нейтронов весьма мал и сравним c «выходом» протонов при искусственном превращении элементов, происходящим под действием бомбардировки α-частицами. Наибольшим эффектом обладает бериллий, у которого «выход», по-видимому, достигает 30 нейтронов на каждый миллион α-частиц полония, бомбардирующих толстый слой бериллия.

След протона, выбитого нейтроном из парафина.

След ядра гелия, пришедшего в движение в результате столкновения с нейтроном.

    Подвергая различные вещества бомбардировке α-частицами полония Боте и Беккер обнаружили, что в этих условиях некоторые лёгкие атомы испускают слабое излучение, приникающая способность которого превышает проникающую способность самых жёстких γ-лучей, испускаемых радиоактивными элементами (1930 г.). Сначала это явление объяснялось испусканием γ-лучей вследствие возбуждения ядер, могущего сопровождаться захватом α-частицы. Этот эффект особенно силен у бериллия, но он наблюдается также в меньшей степени у Li, B, F, Na, Mg, Al. Пользуясь методом ионизации, И. Кюри и Ф. Жолио обнаружили новое свойство проникающих лучей, испускаемых бериллием или бором. Оказалось, что эти лучи могут выбивать лёгкие ядра, например, протоны из веществ, содержащих водород или ядра гелия (1932 г.). Это основное свойство вновь открытого излучения является причиной его поглощения… Существование явления выбрасывания лёгких атомов было подтверждено методом Вильсона… Проникающий луч, вызывающий выбрасывание ядра не ионизует молекул газа и, следовательно, его путь на фотографиях не видим… Результаты этих опытов трудно объяснить, если считать, что лучи, вызывающие выбрасывание лёгких элементов, являются γ-лучами.
    Чедвик показал, что это явление можно удовлетворительно объяснить, допустив, что в проникающем излучении, испускаемом Be или В, присутствуют нейтроны – частицы с атомной массой близкой к единице и нулевым зарядом, которые могут состоять из протона и электрона, связанных более тесно, чем в атоме водорода… Нейтроны являются новым видом корпускулярного излучения.

М.Кюри. «Радиоактивность. Возбуждение проникающих лучей в лёгких атомах при столкновении с α-частицами».

    Д. Иваненко, 1932 г.: «Объяснение доктором Дж. Чедвиком таинственного излучения бериллия очень привлекательно для физиков-теоретиков. Возникает вопрос: нельзя ли допустить, что нейтроны играют также важную роль и в структуре ядер, считая все ядерные электроны «упакованными» либо в α-частицы, либо в нейтроны? Конечно, отсут­ствие теории ядер делает это предположение далеко не окончательным, но может быть, оно покажется не таким уж неправдоподобным, если мы вспомним, что электроны, проникая в ядра, существенно изменяют свои свойства — теряют, так сказать, свою индивидуальность, например свой спин и магнитный момент.
    Наибольший интерес представляет вопрос, насколько нейтроны можно рассмат­ривать как элементарные частицы (чем-то подобными протонам или электронам). Нетрудно подсчитать число α-частиц, протонов и нейтронов, имеющихся в каждом ядре, и получить таким образом представление об угловом моменте ядра (полагая угловой момент нейтрона равным 1/2). Любопытно, что в ядрах бериллия нет сво­бодных протонов, а есть только α-частицы и нейтроны».

    Свободный нейтрон является нестабильной частицей. Его период полураспада T_1/2 = 10.24 мин. Нейтрон распадается на протон p, электрон e и электронное антинейтрино _e. В связанном состоянии в ядре нейтрон может быть стабильным. Потому существуют стабильные атомные ядра.
    Открытие нейтронов явилось важным этапом в развитии представлений о строении атомного ядра. На смену протон-электронной модели атомного ядра пришла протон-нейтронная модель ядра, впервые развитая независимо в работах Д.Иваненко, В.Гейзенберга.

    Основное положение протон-нейтронной модели атомного ядра – атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z в ядре определяет электрический заряд ядра. Суммарное число протонов и нейтронов A = Z + N определяет массу атомного ядра.

    Протон-нейтронная модель ядра успешно разрешила проблему «азотной катастрофы». Согласно протон-нейтронной модели ядра изотоп состоит из 7 протонов и 7 нейтронов. Так как и протон, и нейтрон имеют собственный спин J = 1/2, полный спин ядра должен иметь целочисленное значение, что согласуется с экспериментом. Получили объяснение и малые значения магнитных моментов атомных ядер – порядка нескольких ядерных магнетонов. Если бы в состав атомного ядра входили электроны, то магнитные моменты ядер должны были бы иметь величины порядка электронных магнетонов Бора, т.е. превышали бы наблюдаемые величины магнитных моментов ядер в тысячи раз.

    Д. Иваненко, 1932 г.: «Ввести нейтроны в ядро можно двумя способами: либо не изменяя принятого числа α-частиц в ядре и нейтрализуя не более трех электронов (Перрен и Ожэ), либо нейтрализуя все электроны. Первый способ, по-моему, приводит к прежним трудностям в отношении значений спина. Более того, начиная с некоторого элемента, возникает избыток внутриядерных электронов, и отсутствие у ядер соответствующих спинов представляется крайне таинственным. Напротив, второй подход, предложенный нами несколько ранее, по-видимому, позволяет преодолеть указанные трудности. Не будем входить здесь в общие рассуждения о преимуществах этого подхода как обобщения идеи де Бройля о существовании глубокой аналогии между светом и веществом; внутриядерные электроны действительно во многом аналогичны поглощенным фотонам, а испускание ядром β-частицы подобно рождению новой частицы, которая в поглощенном состоянии не обладает индивидуальностью. Укажем строение ядра хлора согласно старой (I) точке зрения и двум новым - Перрена-Ожэ (II) и нашей (III) [α обозначает α-частицу, p - протон, e - электрон, n -нейтрон]:

³⁷Cl = 9α + 1p + 2e (I), ³⁷Cl = 9α + 1n + 1e (II), ³⁷Cl = 8α + 1p + 4n (III).

(изотопы данного элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов).
    Мы рассматриваем нейтрон не как систему из электрона и протона, но как элементарную частицу. Это вынуждает нас трактовать нейтроны как частицы, обладающие спином 1/2 и подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака. Например, ядру ¹⁴N (3α + 1p + 1n) следует приписать спин 1, а ядра азота, действительно, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Это становится теперь понятным, так как ¹⁴N содержит 14 элементарных частиц, т.е. четное число, а не 21, как в старой схеме.
    Все эти предположения, какими бы предварительными они ни были, по-видимому, приводят к совершенно новым взглядам на модель ядер».

    В. Гейзенберг, 1932 г.: «Опытами Кюри и Жолио (при истолковании их Чедвиком) установлено, что в строении ядер важную роль играет новая фундаментальная частица — нейтрон. Это наводит на мысль считать атомные ядра построенными из протонов и нейтронов без участия электронов. Если это предположение верно, то оно влечет за собой огромное упрощение теории строения ядер. Основные трудности теории β-распада и статистики атомных ядер азота сводятся тогда к вопросу о том, каким образом нейтрон распадается на протон и электрон и какой статистике он подчиняется. Тогда строение ядер может описываться по законам квантовой механики вследствие взаимодействия между протонами и нейтронами.
    В дальнейшем будем предполагать, что нейтроны подчиняются статистике Ферми и обладают спином (1/2). Это предположение необходимо для объяснения статистики ядер азота и соответствует экспериментальным значениям ядерных моментов. Если бы нейтрон состоял из протона и электрона, то электрону пришлось бы приписать статистику Бозе и нулевой спин. Подробнее рассматривать такую картину представляется нецелесообразным.
    Скорее, нейтрон следует считать самостоятельной фундаментальной составной частью ядра, конечно, учитывая, что при определенных условиях он может распадаться на протон и электрон, причем, вероятно, законы сохранения энергии и импульса не будут иметь места.
    Из всех взаимодействий элементарных частиц, входящих в состав ядра, между собой прежде всего рассмотрим взаимодействие между нейтроном и протоном. При сближении нейтрона и протона на расстояние, сравнимое с ядерным, происходит по аналогии с ионом перемена места отрицательного заряда с частотой, определяемой функцией J(r)/h, где r — расстояние между частицами. Величина J(r) соответствует обменному интегралу, вернее, интегралу, описывающему обмен координатами в молекулярной теории. Эту перемену места можно сделать наглядной с помощью представления об электроне, не обладающем спином и подчиняющемся статистике Бозе. Но, вероятно, правильнее считать, что интеграл J(r) описывает фундаментальное свойство пары нейтрон-протон, которое не сводится к перемещениям электрона».

    В отличие от электронных оболочек атомов, ядра имеют вполне определенные размеры. Радиус ядра R описывается соотношением

R = 1.3A^1/3 фм.

    Атомные ядра имеют большую массу и положительный заряд. Размеры атомных ядер обычно измеряют во внесистемной единице длины — ферми.

1 ферми = 10^-13 cм. 

    Протон-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов. Изотопы – атомные ядра, имеющие одинаковое число протонов Z и различное число нейтронов N. Сегодня известно свыше 3,5 тыс. изотопов. Обычно изотопы изображают на N-Z-диаграмме атомных ядер. Массовое число изотопа A = N + Z.

    Э. Резерфорд, 1936 г.: «Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже нет места, и предположил, что существуют элементы, неотделимые с химической точки зрения, но обладающие с точки зрения радиоактивности различными свойствами. Содди назвал соответствующие элементы такого рода изотопами, и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон».

Размер ядра

Радиальное распределение плотности заряда в различных ядрах

R = 1.3A^1/3 фм,
t = 4.4a = 2.5 фм.

Размер ядра и закон сил

    Э. Резерфорд, 1924 г.: «Билер произвел методом рассеяния детальное изучение закона действия силы вблизи легкого ядра, а именно вблизи ядра алюминия. С этою целью он сравнил относительное число α-частиц, рассеянных внутри одного и того же телесного угла от алюминия и от золота. Для исследованного интервала углов (до 100°) предполагалось, что рассеяние золотом следует закону обратной пропорциональности квадрату расстояния. Билер нашел, что отношение рассеяния в алюминии к рассеянию в золоте зависит от скорости α-частицы. Так, например, для α-частицы с пробегом 3,4 см было получено теоретическое отношение для углов меньших 40°, но оказалось, что отношение для среднего угла рассеяния в 80° лишь на 7°/₀ меньше. С другой стороны, для более быстрых α-частиц с пробегом 6,6 см отклонения от теоретического отношения выражены значительно резче и достигают 29% для угла в 80°. Чтобы объяснить эти результаты Билер предположил, что вблизи ядра алюминия, на обычную отталкивательную силу налагается притягательная сила. Результаты хорошо согласуются с допущением, что притягательная сила изменяется обратно пропорционально четвертой степени расстояния и что силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на расстоянии 3,4·10^-13 см от центра ядра. Внутри этого критического радиуса силы становятся исключительно притягательными; вне – исключительно отталкивательными.
    Хотя мы и не можем предъявлять особенных требований к точности полученной цифры или к строгости предположенного закона притягательной силы, мы, вероятно, не слишком ошибемся, если положим, что радиус ядра алюминия не превосходит 4·10^-13 см. Интересно отметить, что силы взаимодействия между α-частицей и ядром водорода претерпевают быстрое изменение, начиная приблизительно с этого же расстояния. Таким образом, ясно, что размеры ядра у легких элементов малы, а в случае алюминия можно даже сказать – неожиданно малы, если мы вспомним, что в этом ничтожном объеме помещаются 27 протонов и 14 электронов. Предположение о том, что силы взаимодействия между ядрами изменяются от отталкивания к притяжению при очень тесном сближении, представляется весьма правдоподобным; иначе с высшей степени трудно себе представить, каким образом тяжелое ядро с большим избытком положительного заряда могло бы сдерживаться в ограниченном пространстве. Мы увидим, что целый ряд других фактов подкрепляет это представление; однако мало правдоподобно, чтобы притягательные силы вблизи сложного ядра могли быть выражены каким-либо простым степенным законом».

Характеристики свободных нейтрона и протона

Характеристики свободных нейтрона и протона	n	p
Масса, МэВ/c2	939.56536±0.00008	938.27203±0.00008
Квантовое число – спин	1/2	1/2
Спин, ћ = 6.58·10-22 МэВ·c	ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2	ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2
Электрический заряд, qe = (1.602176487 ± 40)·10-19 Кл	(–0.4 ± 1.1)·10-21	|qp+qe|/qe < 10-21
Магнитный момент, μ = eћ/2mpc = 3.15·10-18 МэВ/Гс	–1.9130427±0.000005	+2.792847351 ± 000000028
Электрический дипольный момент d, e·см	< 0.29·10-25	< 0.54 10-23
Барионный заряд В	+1	+1
Зарядовый радиус, Фм		0.875 ± 0.007
Радиус распределения магнитного момента, Фм	0.89 ± 0.07	0.86 ± 0.06
Изоспин I	1/2	1/2
Проекция изоспина Iz	–1/2	+1/2
Кварковый состав	udd	uud
Квантовые числа s ,c, b, t	0	0
Период полураспада	10,24 мин	> 2.1·1029 лет
Четность	+	+
Статистика	Ферми-Дирака
Схема распада	n → p + e- + e

Таблица изотопов химических элементов

1 – порядковый номер химического элемента Z,
2 – символ химического элемента,
3 – название химического элемента,
4 – минимальное–максимальное массовое число A изотопа химического элемента,
5 – массовое число изотопов A (процентное содержание изотопа в естественной смеси), имеющих процентное содержание изотопа в естественной смеси больше 1%.