Основные сведения о нейтронах
§ 1.1 Открытие нейтрона
Открытие нейтрона, положившее начало новой науке - нейтронной физике, связано с именем английского ученого Джеймса Чедвика. Родился Дж. Чедвик в Манчестере в 1891 году, получил образование в Манчестерском и Кембриджском университете, где учился у Э. Резерфорда и под его влиянием посвятил свою жизнь разработке проблем физики атомного ядра. нейтрон магнитный электрический заряд
28 апреля 1932 году на заседании Лондонского Королевского общества молодой ученый сделал первое сообщение о своем открытии.
У этого открытия есть своя предыстория. В 1914 году английский ученый Э. Резерфорд установил, что масса и положительный заряд атома сосредоточен в его центре, в ядре. Хотя существование ядра и было доказано, его действительное строение оставалось загадкой. Самой запутанной проблемой до 1932 года было объяснение отношения массы к заряду для всех ядер, исключая атомы водорода. Единственный тяжелый частицей, которая могла бы входить в состав ядра, был протон. Поэтому казалось логичным, что каждый тип ядра содержит число протонов, равное его массовому числу. С другой стороны, атомный номер, равный номеру заряда ядра, равен приблизительно половине массового числа. Были предприняты попытки объяснить эти расхождения присутствием внутри ядра электронов. Однако это противоречит принципам волновой механики - электрон слишком велик, чтобы поместиться внутри ядра, длина волны электронов внутри ядра значительно превосходит известные размеры ядер.
В то время как попытки создать теорию строения ядра зашли в тупик, одновременно проводились эксперименты, которые непосредственно не были связаны с этой проблемой, но, тем не менее, привели к ее расширению. Это были эксперименты, связанные с превращением элементов с помощью б-частиц от естественных источников (ускорителей тогда не было). Единственным известным тогда процессом была реакция (б, р). Реакция (б,р) наблюдалась почти со всеми ядрами, заряд которых не был настолько велик, чтобы кулонное отталкивание препятствовало сближению б-частиц с ядром. За несколькими исключениями все легкие элементы до калия включительно, были подвергнуты расщеплению путем бомбардировки их б-частицами.
Рис. 1.1
Среди исключений, однако, оказались очень легкие элементы, например Be и Li. При бомбардировке б-частицами этих элементов протоны были обнаружены. Такого рода эксперименты проводились в различных лабораториях. В 1930 году Боте и Беккер, работавшие в Германии, заметили, что при бомбардировке б-частицами металлического бериллия возникает сильно проникающее излучение, которое легко проходит сквозь слой Рb, толщиной несколько дюймов. Это было совершено неожиданно, так как протоны, получающиеся в процессе уже изученных ядерных превращений, задерживались очень тонкой пластиной из свинца. Наиболее проникающим излучением, известным в то время, были г-лучи. Были попытки определить энергию этих г-лучей по коэффициенту поглощения их Рb, однако он оказался слишком малым, равным 0,22
ф(
т
Рис. 1.2
Известно, что минимальным коэффициентом поглощения в Рb обладают
г-лучи с энергией от 3 до 4 мэв, но и в этом интервале энергии он не ниже
0,46 .
Эти «бериллиевые лучи» проникавшие сквозь Рb и бетон привлекли внимание французских физиков Ирен и Фредерика Жолио Кюри. В парижском институте радия в 1931 году они поставили эксперименты с «бериллиевыми лучами» и обнаружили при «просвечивании» ими парафина еще одно неожиданное явление. Это водородосодержащее вещество под действием странных лучей начинало излучать ядра водорода - протоны. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри установили, что при введении парафина в ионизирующую камеру наблюдалось увеличение ионизирующего тока почти в 2 раза. Они объясняли это как результат дополнительной ионизации, возникающей благодаря появлению в камере протонов большой энергии. Измерили пробег протонов в воздухе. Он оказался равным 26 см, это соответствовало, скорости протонов см/сек (). Образование протонов отдачи было доказано непосредственно путем наблюдения их треков в камере Вильсона.
18 января 1932 года об этих опытах было доложено на заседании Парижской Академии Наук.
Дальнейшие исследования этого явления было проведено Чедвиком в азоте, аргоне и парафине. Ошибкой предыдущих исследователей было то, что они пытались объяснить новый эффект уже известными видами радиации. Полученные результаты привели их к мысли, что они имеют дело с сильно проникающими г-излучениями.
Если предположить, что протоны отдачи возникают в результате столкновения с ними г-квантов, аналогично комптон-эффекту на электронах, то можно подсчитать необходимую энергию г-квантов. Максимальная энергия, которая может быть передана частице с массой М при комптон рассеянии кванта энергии hх, равна:
Протоны выбиваются из парафина с энергией около 4,3 мэв. Расчет по формуле дает . Трудно объяснить, как образуется г-лучи такой высокой энергии при столкновении с Ве г-лучей с энергией около 5 мэв. Было установлено также, что число протонов отдачи в несколько тысяч раз больше того, которое следовало ожидать на основании хорошо подтвержденной формулы Клейшина-Нишины, определяющей вероятность комптон-эффекта.
Чедвик, используя простую аппаратуру, установил, что излучение, возникшее при бомбардировке Ве б-лучами, создает не только протоны, но и другие ядра отдачи.
Рис. 1.3
Энергию этих ядер отдачи можно было определить или по величине импульса в ионизирующей камере, или по пробегу. Сделав и те, и другие измерения, Чедвик установил, что ядра отдачи азота имеют энергию 1,2 МэВ.
Для образования таких ядер отдачи при комптон-эффекте г-кванты должны обладать энергией около 70 МэВ. С увеличением массы частицы мишени соответственно увеличивается энергия кванта для той же радиации. Если в этих взаимодействиях импульс и энергия сохраняются, то предшествующая интерпретация радиации как г-излучения не имеет никакого смысла. Однако Чедвик нашел, что возможна простая интерпретация, согласующаяся с законами сохранения энергии и импульса, если отказаться от гипотезы, что бериллиевая радиация является г-излучением. В частности, если неизвестная радиация состоит из частиц с массой, примерно равный массе протона, то все трудности устраняются. необходимо также предположить, что эти частицы не имеют электрического заряда, для того чтобы объяснить их повышенную проникающую способность. Измерив скорости, которыми обладали протоны, выбиваемые из различных материалов и применив элементарную теорию соударений, Чедвик определил массу этой новой частицы и показал, что она близка к массе протона.
Нейтрон при лобовом соударении может передать протону всю свою энергию, а более тяжелому ядру азота - только часть ее.
мM
mM
V
Рис. 1.4
,
(*)
*
Для определения массы нейтрона m нужно измерить максимальную энергию отдачи двух различных ядер и и знать их массы и .
6m=7; .
Подставляя сюда полученные из опыта скорости ядер отдачи водорода и азота, Чедвик получил
яд. ед.
Таким образом, масса нейтрона примерно на 16% больше массы протона.
Позднее более точные измерения показали, что масса нейтрона очень близка к массе протона и превышает её всего на 0,1%. Однако, это фактически ничтожное превышение имеет большое значение.
Доказав существование и измерив массу новой частицы, Чедвик назвал ее нейтроном. В действительности это название не было новым; ученые еще раньше предполагали возможность существования частицы с массой, приблизительно равной массе протона. Считалось, что при определенных условиях электрон может соединиться с протоном, образуя стабильную нейтральную форму. Такое предположение высказали в 1920 году независимо друг от друга трое ученых. Харкинс в США, Мэссон в Австралии и Резерфорд в Англии. Примерно за 12 лет до открытия Чедвика этой чисто воображаемой структуре было дано название нейтрон. Конечно, нейтрон не представляет собой комбинацию протона и электрона, это исключается размерами самого электрона.
Открытие нейтрона позволило построить протонно-нейтронную теорию ядра. К идее о протонно-нейтронном строении ядра пришли одновременно и независимо друг от друга физики нескольких стран мира: в СССР - Д.Д. Иваненко, в Германии - В. Гейзеберг, в Испании - К. Майорана. Они предположили, что нейтрон наряду с протоном является структурной единицей ядра, фундаментальной частицей, основным компонентом всей материи.
Трудность, возникшая при объяснении избыточного веса всех ядер, за исключением ядра водорода, была легко устранена предположением, что эти ядра содержат соответственное число нейтронов. Более того, теперь не возникает проблемы, связанной с «размерами» нейтрона, так как его массе, намного большей массы электрона, соответствует значительно меньшая, чем для электрона, длинна волны, что дает ему возможность свободно находиться внутри ядра.
Другой загадке структуры ядра - существованию изотопов - также было найдено простое объяснение. Легко объяснялось нестабильность некоторых изотопов.
Иваненко предполагал, что наряду с элементарными частицами со спинами Ѕ - нейтронами и протонами ядро содержит и б-частицы. (Это казалось почти очевидным, поскольку б-частицы вылетали из ядра при радиоактивном распаде). Что касается электронов, то они первоначально не исключал возможности того, что они настолько тесно упакованы в ядрах, что теряют свою индивидуальность. Аналогичные соображения независимо высказал Чедвик. Вместе с тем
Д.Д. Иваненко вскоре уже вполне определенно высказался против присутствия электронов в ядре, но дискуссия по этому вопросу продолжалась. В отличие от этого Гейзенберг более решительно утверждал, что нейтрон не только «элементарная частица», но что протон и нейтрон - два состояния одной частицы. Продолжение, что спин нейтрона = половине, естественным образом объяснило, почему ядро подчиняется статистике Бозе, а не Ферми. Вопрос о спине нейтрона решился в то время сразу и окончательно.
§1.2 Масса нейтрона
Первое определение массы нейтрона было сделано Чедвиком на основании опытов, приведших к открытию нейтрона.
1) Измерение энергии различных ядер отдачи, созданных нейтронами, может служить основой одного из методов определения массы нейтрона. Но этот метод оказывается неточным, т.к. энергию ядер отдачи необходимо определить по их пробегам или по полной ионизации, создаваемый ими в ионизирующей камере. Между тем эмпирические соотношения между пробегом и энергией, а также между ионизацией, и энергией недостаточно точны, в особенности для ядер более тяжелых, чем б-лучей, и обладающих к тому же небольшой кинетической энергией.
Последующие определения массы нейтрона производились на основании анализа энергетического баланса различных ядерных реакций, идущих или с образованием свободных нейтронов или с их захватом. Одна из таких реакции
была использована Чедвиком же вскоре после открытия нейтрона.
2)
, и , - известны.
- величина небольшая и с достаточной точностью может быть вычислена, если для массы нейтрона принять даже приближенно известное значение.
Энергия нейтронов определялась Чедвиком по энергии протонов отдач, образовавшихся в результате особого столкновения. Так как энергия протонов также определялась здесь по их пробегу, то метод оказался неточным. Кроме того, массы трех ядер в то время не были известны с достаточной точностью. Тем не менее, в этом эксперименте Чедвик определил массу нейтрона, отличающуюся на 0,2 % от общепринятого сейчас значения
Более позднее определения массы нейтрона основана на изучений энергетического баланса в реакциях:
(n,p), (p,n), (d,n), (г,n)
с легкими ядрами. Большинство из этих определений сводится к нахождению разности масс нейтрона и атома водорода, следовательно, к непосредственному сравнению массы нейтрона с наиболее точно измеренной массой - массой протона.
3) Из реакции (n,p) удобной для исследования является реакция . Так как она идет на медленных нейтронах, то кинетической энергией нейтрона можно пренебречь
, где - энергия реакции
можно найти по
Измерение вносит главную неточность в данный метод.
определяется довольно хорошо, так как оказывается радиоактивен и путем в-распада переходит снова в
- граница в - спектра
энергия покоя электрона в балансе фигурирует в явном виде, так как в уравнение выходят атомные массы.
4)
Примером реакции является реакция
+
, следующая, реакция имеет порог
В эндотермических реакциях порог обозначается очень редко и измеряется экспериментально с высокой точностью, поэтому измеряется довольно точно.
Из реакции этого типа в настоящее время достаточно хорошо исследованы:
Наиболее точным методом определения массы нейтрона по разности масс нейтрона и атома водорода является метод, основанный на измерении энергии связи дейтона и разности масс дейтерия и молекулы водорода
- масса молекулы водорода
Разность масс молекул водорода и дейтерия измеряется с большой точностью методом дублетов на масс-спектрографе с хорошей разрешающей силой. Практически точность определения зависит лишь от точности измерения энергии связи .
Энергию связи дейтона можно определить или по фоторасщеплению дейтона , или по г - лучам, испускаемым в обратном процессе - захвате нейтрона протоном .
5) . При фоторасщеплении часть энергии кванта (=еd) тратится на разрыв связи, а остаток делится приблизительно поровну между протоном и нейтроном. С достаточной степенью точности можно считать