Номер 2, страница 254 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 7. Квантовые явления. Параграф 61. Состав атомного ядра. Темы докладов - номер 2, страница 254.

Условие.

2. Как открывали нейтрон.

Решение.

Открытие нейтрона было результатом серии экспериментов, проведенных несколькими учеными в начале 1930-х годов, и стало ключевым моментом в развитии ядерной физики. Весь процесс можно разделить на несколько ключевых этапов.

Предпосылки и гипотеза Резерфорда. К 1920-м годам было известно, что атомные ядра состоят из протонов. Однако существовала проблема: атомная масса элемента ($\text{A}$) была, как правило, вдвое или более раз больше его атомного номера ($\text{Z}$), то есть числа протонов. Чтобы объяснить эту разницу, предполагалось, что в ядре также присутствуют электроны, которые нейтрализуют заряд части протонов. Однако эта протон-электронная модель ядра имела серьезные теоретические противоречия. В 1920 году Эрнест Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании в ядрах нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона, которую он условно назвал «нейтроном». Эта частица могла бы объяснить избыточную массу ядер, не нарушая их общий заряд.

Эксперименты Боте и Беккера (1930 г.). Немецкие физики Вальтер Боте и Герберт Беккер, облучая легкие элементы (бериллий, литий, бор) альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, обнаружили, что эти элементы испускают новое, очень проникающее излучение. Поскольку это излучение не отклонялось в электрических и магнитных полях, они предположили, что это жесткие гамма-кванты ($\gamma$-кванты). Реакцию для бериллия они записали так:${}_4^9Be + {}_2^4He \rightarrow {}_{6}^{13}C + \gamma$

Эксперименты Ирен и Фредерика Жолио-Кюри (1931-1932 гг.). Французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри решили исследовать это загадочное «бериллиевое излучение». Они обнаружили, что если на его пути поставить парафиновую пластину (богатую водородом), то из нее вылетают протоны с очень большой энергией (около 5,3 МэВ). Они попытались объяснить это явление эффектом Комптона, при котором $\gamma$-квант выбивает протон. Однако расчеты показали, что для сообщения протону такой энергии $\gamma$-квант должен был бы обладать энергией около 50 МэВ, что более чем в три раза превышало энергию, выделявшуюся в исходной реакции с бериллием. Это было явным нарушением закона сохранения энергии.

Открытие Джеймса Чедвика (1932 г.). Английский физик Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда, не был согласен с гипотезой о $\gamma$-квантах. Он предположил, что «бериллиевое излучение» на самом деле является потоком тех самых нейтральных частиц, которые предсказывал Резерфорд. Чтобы доказать это, он провел серию точных экспериментов, в которых облучал этим излучением не только парафин (источник протонов), но и другие мишени, содержащие ядра азота и других легких элементов, и измерял энергии ядер отдачи.

Применяя законы сохранения энергии и импульса к упругому столкновению неизвестной частицы с ядрами-мишенями, Чедвик смог рассчитать массу этой частицы. Он исходил из того, что при лобовом столкновении частицы массой $m_n$ и скоростью $v_n$ с покоящимся ядром массой $\text{M}$, ядро приобретает максимальную скорость $\text{V}$. Из законов сохранения следует, что $V = \frac{2 m_n}{m_n + M} v_n$. Измерив максимальные скорости протонов ($V_p$) и ядер азота ($V_N$), он получил соотношение:$\frac{V_p}{V_N} = \frac{m_n + m_N}{m_n + m_p}$

Из этого уравнения, зная массы протона ($m_p$) и ядра азота ($m_N$) и измерив отношение скоростей, Чедвик вычислил массу неизвестной частицы $m_n$. Расчеты показали, что ее масса очень близка к массе протона (около $1.0067$ а.е.м.). Эта тяжелая нейтральная частица, которую он назвал нейтроном, могла легко объяснить выбивание протонов с высокой энергией, не нарушая законов сохранения. Таким образом, Чедвик неопровержимо доказал существование нейтрона.

Правильная ядерная реакция, происходящая при облучении бериллия альфа-частицами, была записана так:${}_4^9Be + {}_2^4He \rightarrow {}_{6}^{12}C + {}_0^1n$За это открытие Джеймс Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике в 1935 году.

Ответ: Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Открытие стало итогом серии экспериментов: сначала Боте и Беккер обнаружили проникающее излучение при бомбардировке бериллия $\alpha$-частицами, которое они ошибочно приняли за $\gamma$-лучи. Затем Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что это излучение выбивает протоны из парафина, что противоречило гипотезе о $\gamma$-квантах. Наконец, Чедвик, проанализировав эти результаты и проведя собственные эксперименты с различными мишенями, доказал, что это излучение является потоком нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона, и назвал их нейтронами.