Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Частица без заряда, получившая название нейтрон, была открыта в 1932 г. Нетрудно понять, почему ее открытие задержалось. Ведь мы видим заряженные частицы по их следам (трекам), которые они оставляют в газе или фотоэмульсии благодаря их способности ионизировать попадающиеся на их пути молекулы. Но электрически нейтральная частица не взаимодействует с электронами, а потому и не оставляет на своем пути следов. Так что о существовании нейтронов можно судить лишь по вторичным эффектам.

Нейтрон был открыт при бомбардировке бериллия альфа-частицами. Эта реакция записывается так:

⁹₄Be + ⁴₂α — > ¹²

₆C + ¹₀n

Символ n принадлежит нейтрону. Но как же можно уверовать в существование частицы, которая сама не оставляет следов? По ее действиям. Представьте себе, что на зеленом сукне биллиардного стола находится невидимый глазу биллиардный шар. По столу катится видимый шар и вдруг «ни с того, ни с сего» отскакивает в сторону. Физик не может допустить, что его подводят законы сохранения энергии и импульса. Поэтому он делает вывод, что видимый шар натолкнулся на невидимый. Более того, пользуясь законами сохранения, он может определить все характеристики невидимого шара, выяснив, на какой угол отклонился от линии своего полета и как изменил свою скорость видимый шар.

Число нейтронов подсчитывают следующим образом. На пути нейтронного луча помещают вещество, содержащее атомы бора. При встрече с ядром бора нейтрон прекращает свое существование. Происходит следующая реакция:

¹⁰₅

В + ¹₀n —> ⁷₃Li + ⁴₂

α.

Нейтрон пропал, а зато появилась альфа-частица. Регистрируя эти заряженные частицы, оставляющие видимый след в различного рода приемниках, мы сможем точно измерить интенсивность нейтронного луча.

Существует много других методов, которые позволяют с полной достоверностью определить все параметры, характеризующие нейтрон и вообще электрически нейтральную частицу. Совокупность точно согласующихся косвенных доказательств порою не менее убедительна, чем разглядывание видимых следов.

СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР

До открытия нейтрона физики полагали, что атомное ядро, построено из электронов и протонов. Это предположение таило в себе много противоречий, и попытки создания теории строения ядра были неудачными. Как только был найден нейтрон, возникающий при ядерных столкновениях, сразу появилась мысль, что атомное ядро построено не нейтронов и протонов. Впервые эта гипотеза была выдвинута советским физиком Д. Д. Иваненко.

С самого начала было ясно, что масса нейтрона если и не равна массе протона, то во всяком случае близка к ней. Поэтому тут же возникло четкое истолкование различий изотопов одного и того же элемента.

Как мы видим, каждому изотопу можно приписать два числа. Одно из них — это порядковый номер в таблице Менделеева Z

, который равен числу протонов в ядре. Порядковый помер определяет поэтому число электронов, связанных с ядром. А раз так, то становится ясным, что порядковый номер и должен отвечать за химическое поведение элементов (ведь химические реакции не затрагивают ядер).

Что же касается массового числа, то оно равно общему числу нейтронов и протонов. Так что изотопы одного и того же элемента отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре.

Очень точными опытами найдены характеристики обеих частиц, образующих ядро. Масса протона равна 1,6726∙10^-24 г, т. е. она в 1836 раз больше массы электрона. Спин протона равен 1/2, а магнитный момент 1,41∙10^-23 ед. СГС. Масса нейтрона незначительно больше массы протона, а именно равна 1,6749∙10^-24 г. Спин нейтрона равен 1/2. Магнитный момент нейтрона антипараллелен спину и равен 0,966∙10^-23 ед. СГС.

Спины и магнитные моменты атомных ядер исследуются разными методами: применяются оптическая спектроскопия, радиоспектроскопия, изучение отклонения пучков частиц в неоднородном магнитном поле. На общих принципах этих измерений мы останавливались в 3-й книге и в предыдущих главах этой книги. А сейчас мы ограничимся лишь изложением главных фактов, полученных за последние десятилетия большим отрядом физиков.

Прежде всего подчеркнем, что законы квантовой физики, касающиеся момента импульса; справедливы для всех частиц. Поэтому и для атомных ядер момент импульса может быть представлен формулой

Здесь величина h — постоянная Планка, с которой приходится встречаться во всех формулах квантовой физики.

Обычаю спином называют не это выражение, а параметр S. Теория строго доказывает, а опыт блестяще подтверждает, что спин любой частицы может равняться только 0, 1/2, 1, 3/2 и т. д.