Открытие нейтрона. 
Ядерная физика

Протонно-нейтронная теория. После открытия атомного ядра довольно долго (около 20 лет) считалось, что ядро состоит из протонов и электронов: А протонов и, А — Z электронов. Мысль об этом казалась естественной, потому что при радиоактивном распаде наблюдалось испускание электронов (р-частиц). При этом, так как масса протона много больше массы электрона, удавалось объяснить не только заряд, но и массу ядра. Но у протонно-электронной модели были и противоречия. С развитием квантовой механики все очевиднее становилась несопоставимость «размеров» ядра и электрона. Кроме того, вскрылось и другое несоответствие, получившее название «азотной катастрофы». Было установлено, что спин ядра азота с, А = 14 равен 1, т. е. имеет целочисленное значение, тогда как модель предсказывала полуцслос значение, как и для всякой системы, состоящей из нечетного числа фермионов.1 Это заставило ввести дополнительные предположения о том, что электроны в ядре находятся в некотором особом связанном состоянии. Интересно, что Резерфорд еще в 1920 г. высказал гипотезу о существовании «нейтрона» — комбинации из тесно связанных электрона и протона.

В последующие годы было сделано много попыток доказать существование постулированного Резерфордом нейтрона. Это удалось только в 1932 г. Дж. Чедвик исследовал свойства сильно проникающего излучения, возникающего при бомбардировке а-частицами бериллия или бора. Вначале предполагалось, что это очень жесткие^[1][2] у-лучи. Однако, когда выяснилась способность неизвестного излучения выбивать быстрые протоны из веществ, содержащих водород (рис. 1.4), от такого предположения пришлось отказаться, так как оно противоречило законам сохранения энергии и импульса. Чедвик показал, что все опытные факты легко объясняются, если предположить, что неизвестное излучение представляет собой поток незаряженных частиц с массой, примерно равной массе протона. В первых расчетах Чедвика масса нейтрона оказалась лишь немногим меньше суммы масс протона и электрона, т_р + т_е> и вначале, в духе гипотезы Резерфорда, Чедвик считал нейтрон составной частицей. Однако более поздние точные измерения показали, что нейтрон примерно на 1,5 т_е тяжелее атома водорода. Согласно современным представлениям, нейтрон (п) — такая же элементарная частица, как и протон.^[3] Ее электрический заряд равен нулю, а спин, как у протона и электрона, /г.

Рис. 1.4. Схема опыта Чедвика.

После открытия нейтрона протонно-электронная гипотеза строения ядра была отброшена и заменена протонно-нейтронной (Д.Д. Иваненко, В. Гейзенберг, Э. Майорана, 1932 г.). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, совместно именуемых нуклонами. Число протонов в ядре равно атомному номеру Z соответствующего химического элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов равна массовому числу А. Следовательно, число нейтронов N= А — Z. Разновидность атомов химического элемента с определенным протоннонейтронным составом ядра называют нуклидом. В качестве символа нуклида используют обозначение уЭ, где Э — символ элемента (^HeJ^C^N/gO и т. п.). Часто атомный номер Z опускают, так как он дублирует символ Э. Таким образом, ядро ⁴Не (а-частица) содержит 2 протона и 2 нейтрона. Ядро ^l4N состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, т. е. содержит 14 нуклонов, спин каждого из которых равен /г. Суммарный спин такой системы должен быть целочисленным, что и наблюдается на самом деле.

Ядра с одинаковым Z называют изотопами, с одинаковым N — изотонами, с одинаковым А — изобарами.

• [1] Существование у электрона спина, т. е. собственного момента импульса, впервые было постулировано С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком на основании анализа тонкой структуры атомных спектров. Гипотеза о спине была экспериментально подтверждена в опытах О. Штерна и В. Герлаха. Фермионами называются все частицы, имеющие полуцелый (в единицах постоянной Планка h) спин. Спиныэлектрона и протона равны /г. Спин системы нечетного числа фермионов может быть только полуце-лым, четного — только целым. Подробнее о спине ядра см. Лекции 3−4.
• [2] То есть, имеющие очень малую донну волны, или высокую энергию. Излучение бериллневой мишени, состоящее нз нейтральных частиц, впервые обнаружили В. Боте и Г. Беккер в 1930 г.
• [3] Понятие элементарной чаетицы было введено в физику после того как стало очевидным, что атом иатомное ядро представляют собой сложные, составные объекты. Множество элементарных частицбыло открыто в 30−50-е гг. XX в. Характерной чертой большинства элементарных частиц является ихпревращение друг в друга в результате самопроизвольного распада. Свободный нейтрон наиболеедолгоживущая из нестабильных элементарных частиц: среднее время его жизни около 15 минут.