Нейтрон – это элементарная частица, имеющая нулевой заряд. Он, вместе с другой частицей, протоном, составляет ядро атома. Они имеют одно название – нуклоны. Однако по массе нейтрон больше своего положительно заряженного соседа, примерно на 0,1378 %, что на самом деле не очень-то и много. Небольшое различие в массах исходит из их сильных взаимодействий. Примерно одинаковая масса становится причиной того, что в ядре нейтрон находится в «слабой позиции», и может оказаться в глубокой потенциальной яме, то есть в месте, где энергия частицы окажется минимальной, и бета-распад нейтрона будет невыгоден, что в свою очередь приводит к стабильности и неизменности нейтрона в ядре. Это все стало известно относительно недавно. История открытия нейтрона расскажет об этом процессе более подробно.
Первые упоминания
О том, что все тела состоят из мельчайших частиц, догадывались еще в далекой древности. Так, например, в Древней Греции была разработана целая философская теория под названием античный атомизм. Ее основателем стал Левкипп, продолжал это учение его последователь Демокрит (однако атомизм нашел свой отклик и в более поздних философских школах, например, у эпикурейцев). Согласно этой философской теории, все, что нас окружает, состоит из первотел – атомов, которые неизменны, бесконечны и неделимы. Разнообразие предметов в мире обуславливается тем, что атомы все-таки отличаются друг от друга, например, формой, порядком соединения или углом поворота.
строение атома
Спустя некоторое время атомизм был забыт, и философия перешла к идеям Платона. Но возрождение этого учения произошло примерно в XII веке, когда популярность заново начали набирать учения Аристотеля, и пик его повторной популярности пришелся на XIV век. Первым человеком, использовавшим термин «молекула», стал последователь эпикурейского атомизма Пьер Гассенди, использовавший его для описания метаморфоз атомов.
Ближе к современности, к концу XVIII века, английским ученым Джоном Дальтоном были разработаны законы о химических реакциях (закон сохранения массы и и закон постоянства состава), впрочем, не относящиеся к атомной теории. Химик использовал в своих трудах термин «атом», но им он обозначал скорее мельчайшую частицу любого химического вещества, а не конкретного элемента. Теория Дальтона была доработана другим химиком, итальянцем Амадео Авогадро, который выдвинул теорию о том, что объемы любых газов при одинаковых внешних условиях содержат равное число молекул, которая впоследствии стала законом Авогадро.
Но как бы то ни было, атомы считались цельными и минимальными частицами еще очень долгое время, вплоть до 1897 года. История нейтрона началась немного позже.
Открытие нейтрона
Все началось с 1930-го года, когда немецкий физик Вальтер Ботте совместно со своим учеником Гербертом Беккерем изучали распад полония-210 и обнаружили, что альфа-частицы, испускаемые им, взаимодействуют с рядом легких элементов (в частности с бериллием и литием) и образуют мощное излучение, которое поначалу приняли за гамма-излучение, но потом стало очевидным, что оно таковым не являлось из-за большей силы. Советские ученые Амбарцумян и Иваненко также проводили свои исследования. Они доказали, что в атоме, помимо протонов и электронов, есть еще частица, то есть нейтрон. Важные работы в этой области проводила дочь Марии Кюри, Ирен Жолио-Кюри, совместно со своим мужем Фредериком. Ученые исследовали воздействие этого излучения на разные вещества и пришли к выводу, что при попадании на соединение богатое водородом оно образует высокоэнергичные протоны, что хоть и не противоречило ни одной из доказанных ранее теорий, но рождало некоторые численные неточности.
Джеймс Чедвик
Кто и как открыл нейтрон? 27 февраля 1932-го года английский физик Джеймс Чедвик совершил практически революционное открытие – обнаружение нейтрона. Оно дало обоснование опытам Боте и Беккера, а новаторство ученого состояло в том, что он верно сумел определить массу нейтронов, из которых состояло это излучение, тем самым он смог доказать, что выдвинутая ранее гамма-лучевая гипотеза не имеет ничего общего с реальностью. Он провел ряд опытов, чтобы доказать свое первоначальное предположение о том, что открытое излучение не цельно, а состоит из неких электрически нейтральных частиц. В конечном итоге гипотеза подтвердилась. Свое название нейтроны получили от латинского корня «neutral» и суффикса «on». В 1935-м году труд Джеймса Чедвика был награжден Нобелевской премией по физике.
Развитие теории
Устоявшаяся картина мира, в котором элементарными неделимыми частицами вступали протон и электрон, не хотела покидать уму ученых, и такое существенное новшество, как открытие третьей частицы, было встречено без особого энтузиазма. В том же году, 28 мая 1932, еще один советский физик, Иваненко, выпустил заметку в журнале «Nature», в которой он предполагал, что нейтрон наравне с протоном составляет ядро атома. Такое предположение родилось у него на основании того, что это решило бы парадокс азота: согласно гипотезе Иваненко, ядро элемента состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, а следовательно, он подчиняется разработанной в начале XX века статистике Бозе. Но эта теория не нашла отклика у большинства ученых, так как она, как тогда предполагали, противоречила испусканию электронов ядрами при р-распаде. Также непросто было принятие учеными идеи о том, что ядра состоят только лишь из тяжелых частиц, и открытию нейтрона никто поначалу не придавал большого значения, а саму частицу даже рассматривали как сложное соединение протона с электроном.
нейтрон
В 1933-м году в СССР, а точнее в Ленинграде, была проведена конференция, участие в которой принимали как русские, так и иностранные ученые, в том числе и один из работавших над нейтронной теорией Фредерик Жолио. Он выступил с двумя докладами под названиями «Нейтроны» и «Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращение ядер». С подобными статьями слушателей знакомили и прочие участники конференции, некоторые из которых были активными сторонниками протонно-нейтронной модели ядра. Упоминавшийся ранее Иваненко также сделал несколько заявлений, самым важным из которых было то, что нейтрон, протон и электрон равны, то есть ни один не является продуктом слияния двух других. Эта конференция изменила ядерную физику, и с тех пор протон и нейтрон стали рассматриваться как две вариации одной частицы – нуклона.
Интересные факты об атомах
Нейтрально заряженная частица состоит из трех кварков, один из которых находится выше двух других. В центре частицы находится тяжелая сердцевина с высокой плотностью и окружающей разреженной оболочки, называемой также «мезонной шубой». Вследствие особенностей своего строения и достаточно большой массы он распадается свободно, а вот единственным допустим каналом этого распада, согласно закону сохранения энергии и электрического заряда, считается бета-распад, в результате которого образуются протон и электрон. Иногда допускается образование гамма-излучения. Изучение различных видов распада электрона имеет большое значение для ядерной физики, так как увеличение количества информации по этой теме позволит узнать больше о свойствах слабого взаимодействия и некоторых других вопросах этого ответвления физики.
нейтрон
История изучения нейтрона богата интересными фактами:
- Ядро, которое, как уже было сказано ранее, состоит из протона и нейтрона, составляет подавляющую часть атома, 99,9%.
- Несмотря на то, что электроны в атоме не весят практически ничего, они являются его самой активной частицей.
- Обычно атом электрически нейтрален, так как заряд электронов уравновешивается зарядом протонов (нейтроны его не имеют), однако некоторые атомы имеют заряд (ионы). Это происходит в случае, когда количество одних заряженных частиц преобладает над другими.
- На сегодняшний день науке известно 118 видов атомов, но в природе встречается только 94 из них, в то время как остальные были синтезированы искусственно.
- Самые большие по размеру атомы принадлежат радиоактивному Францию, но из-за того, что получить его очень трудно, первенство в этом предпочитают отдавать Цезию. А вот наименьшими атомами обладает инертный гелий (он меньше Цезия в 9 раз).
- При делении ядер один элемент превращается в другой, что сыграло бы огромную роль для науки в будущем. Но, к сожалению, ученые пока что не умеют контролировать процесс распада.
- Современные технологии позволяют увидеть атомы веществ, однако с помощью не оптического, а сканирующего туннельного микроскопа. Первый не подходит, так как атомы меньше даже световой волны.
- Чтобы примерно понимать, насколько малы атомы, можно сравнить их с пылью. Одна пылевая частица достигает в размере не более 0,05 мм, но даже в ней содержатся квадриллионы атомов.
- Ученые сумели охладить одно вещество (монофторид стронция) до температуры, практически равной абсолютному нулю (-273° C). Выбор пал именно на это вещество, так как колебательная энергия его межатомных связей крайне мала.
- Само слово «атом» происходит еще из Древней Греции и означает «неделимый».
Автор: Ксения Бирюкова