Номер 5, страница 265 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

5. Как было доказано отсутствие у нейтронов электрического заряда? Как была оценена их масса?

Как было доказано отсутствие у нейтронов электрического заряда?

Отсутствие электрического заряда у нейтронов было доказано в экспериментах по изучению их поведения в электрических и магнитных полях. Известно, что траектория заряженной частицы, движущейся в электрическом или магнитном поле, искривляется под действием силы Лоренца. Величина и направление отклонения зависят от знака и величины заряда частицы.

В опытах, которые привели к открытию нейтрона, в частности в экспериментах Джеймса Чедвика в 1932 году, было обнаружено, что поток этих новых частиц проходит через сильные электрические и магнитные поля, не меняя своего направления. При пропускании нейтронного излучения через камеру Вильсона (устройство для визуализации треков частиц), наблюдались прямые треки протонов отдачи, выбитых нейтронами, но сами нейтроны, будучи нейтральными, не оставляли видимых треков и не отклонялись полем.

Этот факт — отсутствие отклонения в электромагнитных полях — стал прямым и убедительным доказательством того, что нейтроны не имеют электрического заряда, то есть являются электрически нейтральными частицами.

Ответ: Отсутствие электрического заряда у нейтронов было доказано тем, что их траектория не искривлялась при прохождении через сильные электрические и магнитные поля, в отличие от заряженных частиц (например, протонов или электронов).

Как была оценена их масса?

Масса нейтрона была оценена Джеймсом Чедвиком на основе анализа упругих столкновений нейтронов с ядрами известных элементов. Метод основывался на применении законов сохранения энергии и импульса.

Эксперимент состоял в следующем:

1. Источник нейтронов (радиоактивный полоний, облучающий бериллиевую мишень) направлялся на вещество-мишень, содержащее лёгкие ядра. В качестве мишеней использовались, в частности, парафин (богатый водородом, то есть протонами) и газообразный азот.
2. При столкновении нейтроны выбивали из мишени ядра (протоны отдачи из парафина и ядра азота).
3. С помощью детектора (ионизационной камеры) измерялась максимальная кинетическая энергия, а следовательно, и максимальная скорость ядер отдачи. Максимальная скорость достигается при лобовом (центральном) упругом столкновении.

Для лобового упругого столкновения налетающей частицы массой $m_n$ со скоростью $v_n$ с покоящейся частицей-мишенью массой $m_{target}$ скорость частицы-мишени после столкновения ($v'_{target}$) выражается формулой:

$v'_{target} = \frac{2m_n}{m_n + m_{target}}v_n$

Чедвик применил это соотношение для двух разных мишеней: протонов ($m_p$) и ядер азота ($m_N$):

1. Для протонов: $v'_p = \frac{2m_n}{m_n + m_p}v_n$

2. Для ядер азота: $v'_N = \frac{2m_n}{m_n + m_N}v_n$

Поделив одно уравнение на другое, можно исключить неизвестную начальную скорость нейтрона $v_n$:

$\frac{v'_p}{v'_N} = \frac{m_n + m_N}{m_n + m_p}$

В этом уравнении массы протона $m_p$ и ядра азота $m_N$ были хорошо известны, а максимальные скорости отдачи $v'_p$ и $v'_N$ измерялись в эксперименте. Таким образом, единственной неизвестной оставалась масса нейтрона $m_n$. Решив это уравнение относительно $m_n$, Чедвик получил значение, очень близкое к массе протона. Это стало решающим аргументом в пользу того, что он открыл новую элементарную частицу.

Ответ: Масса нейтрона была оценена путем анализа упругих столкновений нейтронов с ядрами двух разных элементов (водорода и азота) и применения законов сохранения энергии и импульса, что позволило связать измеряемые скорости ядер отдачи с искомой массой нейтрона.