Номер 3, страница 224 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 61. Биологическое действие радиоактивных излучений. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 3, страница 224.

3. Подготовьте презентацию «Открытие протона и нейтрона».

История открытия протона и нейтрона — это ключевой этап в развитии физики и понимании строения материи. В начале XX века, после создания планетарной модели атома Эрнестом Резерфордом, основной загадкой оставалось внутреннее устройство атомного ядра.

Открытие протона

Предпосылки. Первые наблюдения, которые косвенно указывали на существование протона, были сделаны еще в 1886 году немецким физиком Ойгеном Гольдштейном. Изучая электрический разряд в разреженных газах, он открыл "каналовые лучи" — потоки положительно заряженных ионов. Дальнейшие исследования показали, что самые легкие из этих частиц (полученные при использовании водорода) имеют наибольшее отношение заряда к массе и являются, по сути, ионами водорода.

Эксперимент Резерфорда. Решающий шаг был сделан Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Он проводил опыты по бомбардировке атомов азота в газовой камере альфа-частицами (ядрами гелия). Резерфорд заметил, что в результате такого взаимодействия появляются новые частицы, которые имели гораздо больший пробег, чем альфа-частицы. Изучив их отклонение в электрическом и магнитном полях, он безошибочно идентифицировал их как ядра атомов водорода.

Выводы и значение. Резерфорд пришел к выводу, что он впервые в истории осуществил искусственное превращение одного химического элемента в другой. Альфа-частица, попадая в ядро азота, выбивала из него ядро водорода. Эта ядерная реакция записывается так:

$$ {_2^4}\text{He} + {_{7}^{14}}\text{N} \rightarrow {_{8}^{17}}\text{O} + {_{1}^{1}}\text{p} $$

Резерфорд предположил, что ядро водорода является фундаментальной "первичной" частицей, входящей в состав всех атомных ядер, и в 1920 году предложил для нее название протон (от греческого πρῶτος — «первый»). Открытие протона подтвердило, что атомные ядра имеют сложное строение, и заложило основы ядерной физики.

Ответ: Протон был экспериментально открыт Эрнестом Резерфордом в 1919 году как частица, выбиваемая из ядра азота при бомбардировке его альфа-частицами. Было установлено, что протон является ядром атома водорода и одной из основных частиц, составляющих атомное ядро.

Открытие нейтрона

Проблема "аномалии масс" и гипотеза. После открытия протона физики столкнулись с очевидным противоречием: заряд ядра любого элемента (кроме протия) соответствовал числу протонов в нем, но масса ядра была значительно больше суммарной массы этих протонов. Например, ядро гелия (${_2^4}\text{He}$) имеет заряд +2 (т.е. 2 протона), но его масса примерно равна массе 4 протонов. Для объяснения этого несоответствия Резерфорд в 1920 году выдвинул гипотезу о существовании в ядре тяжелой нейтральной частицы — нейтрона.

Эксперименты-предшественники. Поиски нейтрона велись более десятилетия. В 1930 году Вальтер Боте и Герберт Беккер в Германии, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили возникновение некоего излучения с чрезвычайно высокой проникающей способностью. Они ошибочно приняли его за жесткие гамма-лучи. В начале 1932 года во Франции Ирен и Фредерик Жолио-Кюри установили, что это таинственное излучение способно выбивать протоны из парафиновой пластины, что было трудно объяснить с точки зрения взаимодействия гамма-квантов с веществом.

Эксперимент Чедвика. Разгадка пришла от английского физика Джеймса Чедвика, ученика Резерфорда. В 1932 году он провел серию точных экспериментов и показал, что все наблюдаемые явления идеально объясняются, если предположить, что "бериллиевое излучение" — это поток нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона. Он назвал эти частицы нейтронами. Реакция, в которой был открыт нейтрон (${_0^1}\text{n}$), имеет вид:

$$ {_2^4}\text{He} + {_{4}^{9}}\text{Be} \rightarrow {_{6}^{12}}\text{C} + {_{0}^{1}}\text{n} $$

Значение открытия. Открытие нейтрона, за которое Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году, стало поворотным моментом в науке. Оно немедленно привело к созданию протон-нейтронной модели строения атомного ядра (предложенной независимо советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким физиком Вернером Гейзенбергом), которая является общепринятой и сегодня. Эта модель полностью объяснила и существование изотопов (атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов), и природу стабильности ядер.

Ответ: Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он интерпретировал результаты опытов по бомбардировке бериллия альфа-частицами, доказав существование электрически нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона. Это открытие привело к созданию современной протон-нейтронной модели атомного ядра.