С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции, постулировала, что вещество состоит из элементарных частиц - атомов. Однако только в XX веке было экспериментально установлено, что атом также состоит из субатомных частиц: протонов, электронов и нейтронов. В статье раскрывается тема, кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое влияние оказали эти открытия на развитие человечества.

Атом и субатомные частицы

Материя Вселенной состоит из маленьких частиц, которые называются атомами. Эта концепция была выдвинута греческим математиком и философом Демокритом еще в V веке до нашей эры. С древнегреческого языка слово "атом" переводится как "неделимый". Ввиду технической невозможности проверить, что представляет собой атом, эта гипотеза существовала вплоть до XIX века, когда достижения науки и технологий позволили изучить атом более тщательно. Благодаря изучению атома в конце XIX века было установлено, что он не является элементарной единицей материи и состоит из более мелких частиц, которые были названы субатомными. К этим частицам принято относить электрон, протон и нейтрон, поскольку они образуют атомы всего вещества.

В настоящее время в вопросе изучения элементарных частиц наука продвинулась далеко вперед. Так, было установлено, что даже субатомные частицы тоже имеют свою внутреннюю структуру. Кроме того, существует так называемая антиматерия, образованная атомами, состоящими из античастиц, которые тоже являются субатомными. Тем не менее начало ядерной физики и ядерной истории человечества положило именно открытие электронов, протонов и нейтронов. Кто открыл эти субатомные частицы, рассматривается в этой статье.

Современные представления о строении атома

Прежде чем переходить к ответу на вопрос, кто открыл нейтроны, протоны и электроны, рассмотрим, что с современной точки зрения представляет собой атом.

Каждое вещество, которое мы видим каждый день, состоит из молекул. Они же образованы атомами. Хотя количество различных молекул достаточно велико, все они образованы ограниченным количеством различных атомов (порядка 100). Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и вращающиеся вокруг ядра электроны, электрический заряд которых является отрицательным и противоположен по знаку заряду ядра.

Если применять эти представления к воде, то следует сказать, что в капле воды диаметром 4 мм находится приблизительно 10 15 молекул. Молекула воды состоит из 3 атомов: 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атом кислорода состоит из ядра, образованного 8 протонами и 8 нейтронами, и электронной оболочки, состоящей из 8 электронов.

Открытие электрона

До 1897 года человечество считало атом неделимым, когда британский физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон в своих экспериментах с катодными лучами. Прибор, который использовал Томсон, представлял собой герметичную трубку из стекла, в которую были помещены два катода, и был выкачан воздух. Ученый обнаружил, что испускаемые катодные лучи отклоняются от пути своего распространения, если на них воздействовать электрическим полем. В итоге ученый установил, что образующие эти лучи частицы должны иметь отрицательный заряд. Впоследствии эти частицы получили название электроны.

Открытие протона

Ученик Дж. Дж. Томсона, новозеландский физик Эрнест Резерфорд, считается ученым, открывшим протон. Он в начале XX века предложил планетарную модель строения атома, в которой основная масса находится в центре. К такой гипотезе Резерфорд пришел после анализа экспериментов, в которых ученые Ганс Гейгер и Эрнест Марсден бомбардировали альфа-частицами пластинку из золота.

В 1918 году Резерфорд провел самостоятельно эксперименты по взаимодействию альфа-частиц с азотом. В этих экспериментах ученый наблюдал испускание ядер атома водорода и пришел к заключению, что они являются "кирпичиками" для всех других ядер. Так Резерфорд открыл протон. Впоследствии было установлено, что ядерная масса значительно превосходила суммарную массу всех протонов атома, поэтому Резерфорд предположил, что в ядре атома существует еще некоторая тяжелая частица, не обладающая зарядом. Этой частицей стал нейтрон, который был открыт позже.

Кто открыл нейтрон?

Третья составляющая атом частица была открыта в 1932 году. Ученым, открывшим существование нейтронов, стал английский физик Джеймс Чедвик. Изучая поведение атомов, когда их бомбардируют альфа-частицы, Чедвик обнаружил существование радиационного излучения, частицы которого имели массу приблизительно такую же, как протоны, но являлись электрически нейтральными, поскольку не взаимодействовали с электрическим полем. Кроме того, эти частицы были способны пронизывать вещество и заставлять атомы тяжелых элементов делиться на более легкие. Из-за физических свойств новой частицы Чедвик назвал ее нейтроном, поэтому он по праву считается ученым, открывшим нейтрон.

Энергия атомного ядра

После того, как нейтроны были открыты, ядерная физика, а также химия и технологии сделали огромный шаг вперед. Перед человеком открылся новый, практически неисчерпаемый и в то же время опасный источник энергии.

Начало ядерной эры человечество ощутило на себе в 1945 году, когда США испытало в действии разрушительную первую ядерную бомбу "Тринити", сбросив ее на японские города Хиросима и Нагасаки.

Первое использование ядерной энергии в мирных целях следует отнести к середине 50-х годов XX века, когда в 1953 году был построен первый ядерный реактор, который заменил дизельный двигатель на американской подводной лодке "Наутилус".

В 1920 г. Резерфорд высказывал догадку о существовании нейтральной элементарной частицы, образованной в результате слияния электрона и протона. Для проведения экспериментов по обнаружению этой частицы в тридцатых годах в Кавендишскую лабораторию был приглашен Дж.Чедвик. Опыты проходили в течение многих лет. С помощью электрического разряда через водород получались свободные протоны, которыми бомбардировали ядра различных элементов. Расчет был на то, что удастся выбить из ядра искомую частицу и разрушить ее, и по трекам распадных протона и электрона косвенным образом зафиксировать акты выбивания.

В 1930 году Боте и Бекер при облучении a - частицами бериллия обнаружили излучение огромной проникающей способности. Неизвестные лучи проходили через свинец, бетон, песок и т.д. Вначале предполагалось, что это жесткое рентгеновское излучение. Но такое предположение не выдерживало критики. При наблюдении редких актов столкновения с ядрами последние получали такую большую отдачу, для объяснения которой надо было предполагать необыкновенно высокую энергию рентгеновских фотонов.

Чедвик решил, что в опытах Боте и Бекера из бериллия вылетали те нейтральные частицы, которые он пытался обнаружить. Он повторил опыты, надеясь обнаружить теки нейтральных частиц, но безрезультатно. Треки не обнаруживались. Он отложил свои опыты.

Решающим толчком к возобновлению его экспериментов была опубликованная Ирен и Фредериком Жолио-Кюри статья о способности бериллиевого излучения выбивать протоны из парафина (январь 1932 г.). Учитывая результаты Жолио-Кюри, он модифицировал опыты Боте и Бекера. Схема его новой установки показана на рисунке 30. Бериллиевое излучение получалось при рассеянии a - частиц на бериллиевой пластинке. На пути излучения помещался парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны.

Сейчас нам известно, что излучение из бериллия представляет собой поток нейтронов. Их масса практически равна массе протона, поэтому большую часть энергии нейтроны передают вылетающим вперед протонам.Выбиваемые из парафина и летящие вперед протоны имели энергию около 5,3 МэВ . Чедвик сразу отбросил возможность объяснения выбивания протонов эффектом Комптона, так как в этом случае приходилось предполагать, что рассеиваемые на протонах фотоны имеют огромную по тем временам энергию около 50 МэВ (в то время не были известны источники таких высокоэнергичных фотонов). Поэтому он сделал вывод, что наблюдавшееся взаимодействие происходит по схеме
реакция Жолио-Кюри (2)

В этом опыте не только впервые наблюдались свободные нейтроны, это также первое ядерное превращение - получение углерода при слиянии гелия и бериллия.

Задача 1. В опыте Чедвика выбитые из парафина протоны имели энергию 5,3 МэВ . Покажите, что для приобретения такой энергии протонами при рассеянии фотонов необходимо, чтобы фотоны имели энергию 50 МэВ .

История открытия нейтрона

История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра атома а-частицами. Этим методом удалось также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924), которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.

Разгорелась дискуссия, в которой Резерфорд оспаривал расщепление указанных трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить» руководителям и видевших вспышки там, где их не было.

В 1930 г. Вальтер Боте (1891-1957) и Г. Беккер бомбардировали бериллий а-частицами полония. При этом они обнаружили, что бериллий, а также бор испускают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким у-излучением.

И января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на заседании Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Беккером. Они показали, что это излучение «способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость».

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

В следующем сообщении, сделанном 7 марта 1932 г., Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали фотографии следов протонов в камере Вильсона, выбиваемых из парафина бериллиевым излучением.

Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны, в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чедвик предлагает допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов - частиц с единичной массой и нулевым зарядом».

Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, то объяснение появления длиннопробежных протонов требует рождения в бериллии фотонов с энергией в 50 МэВ. При этом энергия фотона оказывается зависящей от вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.

Эту коллизию разрешил Чедвик. Он помещал бериллиевый источник перед ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой пластинки. Располагая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из алюминия, Чедвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина протоны с энергией до 5,7 МэВ. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен сам обладать энергией в 55 МэВ. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 МэВ. Чтобы передать азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию по меньшей мере 90 МэВ. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллиевого излучения.

Чедвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что бе-риллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чедвик опубликовал статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако предварительная заметка о нейтроне была опубликована в номере «Nature» от 27 февраля 1932 г. В дальнейшем И. и ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг. подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении а-лучами.

Из книги автора

Распад нейтрона Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут

Из книги автора

Открытия П. и М. Кюри Вернемся к радиоактивности. Беккерель продолжал исследование открытого им явления. Он считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, «представляет первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное

Из книги автора

История открытия нейтрона История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную

Из книги автора

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНОВ УДАРА Вопросами теории удара интересовался уже Галилей. Им посвящен «шестой день» знаменитых «Бесед», оставшийся не вполне законченным. Галилей считал нужным определить прежде всего, «какое влияние на результат удара оказывают, с одной

Из книги автора

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА ТЯГОТЕНИЯ Декарт писал 12 сентября 1638 г. Мерсенну: «Невозможно сказать что-либо хорошее и прочное касательно скорости, не разъяснив на деле, что такое тяжесть и вместе с тем вся система мира»{111}. Это заявление диаметрально противоположно заявлению

Из книги автора

1. История открытия явления катализа Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Самые простые научные сведения о катализе были известны уже к началу XIX в. Знаменитый русский химик, академик К. С. Кирхгоф, открыл в 1811 г. каталитическое

Из книги автора

Профессор, не желавший делать открытия Следующим после Максвелла, кто изобрел новое фундаментальное понятие, стал человек, этого не желавший и для этого малоподходящий, - 42-летний германский профессор Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Он вырос в семье профессора-юриста, а

Из книги автора

2. На грани открытия Итак, Луна интересует всех! Штурм ее начался в 1959 году, когда весь мир услышал сообщение ТАСС о том, что «2 января в СССР успешно запущена первая космическая ракета „Луна-1“ („Мечта“), направленная в сторону Луны и ставшая первой искусственной планетой

Из книги автора

Послеобеденные замечания о природе нейтрона Ж. Вервье Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г. В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом «Нейтрон», от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако,

Из книги автора

XII. ВЕЛИКИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ И АСТРОНОМИЯ Интересы торговли вызвали крестовые походы, которые в сущности были завоевательно - торговыми экспедициями. В связи с развитием торговли, ростом городов и расширением ремесла, в нарождающемся буржуазном классе стала

Из книги автора

XIX. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ Долгое время после Коперника «правоверная» птолемеева система попрежнему преподавалась в университетах и поддерживалась церковью. Например, астроном Местлин (1550–1631), учитель Кеплера, был сторонником учения Коперника (он,

Из книги автора

Открытия не умирают Живя в век космоса и атома, естественно равняться на науку этого века. Но нельзя бросаться в крайность - пренебрежительно отвергать все то, что было найдено предшественниками.Да, «девяносто процентов всех ученых живы, работают рядом с нами». Но если бы

Из книги автора

1. Люди и открытия Они стали говорить на разных языках. Они познали скорбь и полюбили скорбь Они жаждали мучения и говорили, что истина достигается лишь мучением. Тогда у них явилась наука. Ф. М. Достоевский. Сон смешного человека Об открытиях мы слышим и читаем почти

Из книги автора

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ Несмотря на то что Дэви принял Фарадея на работу, чтобы тот просто мыл пробирки и выполнял аналогичные задания, Майкл согласился на эти условия, пользуясь любой возможностью для того, чтобы приблизиться к настоящей науке.Некоторое время спустя, в октябре

В начале XXвека, когда уже было установлено, что молекулы состоят из атомов, встал новый вопрос. Из чего же состоят атомы? Английский ученый Резерфорд и группа его учеников взялись решить эту непростую задачу.

Ядро атома водорода в ядре любого вещества

Уже было известно, что сам атом состоит из ядра и вращающегося вокруг него на большой скорости электрона. Но вот из чего состоит ядро? Резерфорд предполагал, что в состав ядра атома любого химического элемента обязательно входит ядро атома водорода.

Позже это удалось доказать серией экспериментов. Суть экспериментов заключалась в следующем: атомы азота бомбардировались альфа-излучениями. Это приводило к тому, что периодически альфа-излучения выбивали из ядра атома азота некоторые частицы.

Весь этот процесс запечатлевался на светочувствительной пленке. Однако, все равно свечение было так слабо, что Резерфорд и его ученики, прежде чем приниматься за опыт, около 8 часов сидели в абсолютно темной комнате, чтобы глаз мог разглядеть мельчайшие световые сигналы.

По характеру световых следов было установлено, что выбитые частицы это ядра атомов кислорода и водорода. Таким образом, подтвердилось предположение Резерфорда о том, что ядро атома водорода входит в состав ядра атома любого химического элемента.

Открытие протона

Данную частицу Резерфорд назвал протоном. От греческого «протос» - первый. Следует понимать, что не протон является ядром атома водорода, а наоборот, ядро атома водорода имеет такое строение, что в него входит всего один протон.

В состав ядер атомов других химических элементов может входить гораздо большее число протонов. Протон имеет положительный электрический заряд. При этом заряд протона равен заряду электрона, вот только имеет другой знак.

Таким образом, протон и электрон как бы уравновешивают друг друга. Поэтому все предметы изначально никак не заряжены, и приобретают заряд только при попадании в электрическое поле.

Открытие нейтрона

После открытия протона ученые понимали, что ядро состоит не только из протонов, поскольку на примере ядра атома бериллия выяснилось, то суммарная масса протонов в ядре 4 единицы массы, тогда как масса ядра в целом 9 единиц массы.

То есть еще 5 единиц массы принадлежат каким-то другим частицам, которые к тому же не имеют электрического заряда, поскольку иначе протонно-электронный баланс был бы нарушен.

Ученик Резерфорда Чедвик провел серию опытов и обнаружил частицы, вылетающие из ядра атома бериллия при бомбардировке альфа-излучениями, но не имеющими никакого заряда.

Отсутствие заряда было констатировано по тому факту, что частицы никак не реагировали на электромагнитное поле. Стало очевидно, что обнаружен недостающий элемент конструкции ядра атома.

Данные частицы были названы нейтронами. Нейтрон имеет массу примерно равную массе протона, но при этом, как уже говорилось, не имеет никакого заряда.

С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции,...

Кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое значение это имело для человечества

От Masterweb

01.08.2018 14:00

Атом и субатомные частицы

Современные представления о строении атома

Если применять эти представления к воде, то следует сказать, что в капле воды диаметром 4 мм находится приблизительно 1015 молекул. Молекула воды состоит из 3 атомов: 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атом кислорода состоит из ядра, образованного 8 протонами и 8 нейтронами, и электронной оболочки, состоящей из 8 электронов.