Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Первый луч надежды блеснул только в 1919 году, когда Резерфорду удалось обнаружить расщепление ядер азота попадающими в них а-частицами. Особенно интересным было то, что в ходе этой первой ядерной реакции возникали быстро летящие протоны. Подсчитав суммарный заряд ядра азота и а-частицы и вычтя из полученной суммы заряд вылетевшего протона, нетрудно было определить заряд получившегося ядра: 7 + 2 - 1=8; значит, получилось ядро кислорода. Аналогично можно было определить и его округленную атомную массу (или, как обычно говорят, массовое число): 14 + 4 — 1 = 17. Итак, получился изотоп кислорода 17O. Теперь можно было записать символически протекание всей ядерной реакции:
14N+a -*р+17о.
Значение открытия Резерфорда трудно переоценить. Вот только часть выводов, которые оно позволило сделать:
1) атомное ядро не является неприступной крепостью, куда невозможно проникнуть, значит, можно изучить его внутреннее строение;
2) в ходе ядерного расщепления возникают новые элементы, т. е. найден метод искусственного преобразования одних элементов в другие;
3) поскольку при ядерной реакции получился протон, значит, он был в ядре и до реакции. Этот последний вывод, получивший в дальнейшем убедительные подтверждения, для нас сейчас особенно важен.
Итак, в ядрах есть протоны. К тому же, как уже известно, электрический заряд ядра выражается точно целым числом зарядов протона, а масса ядра - почти точно целым числом масс протона. Отсюда напрашивается заключение о том, что все ядра состоят из протонов.
Первые же проверки этого тезиса на практике показали его несостоятельность. Например, ядро гелия имеет заряд, в 2 раза превышающий заряд протона, а его масса в 4 раза больше массы протона. Так из скольких же протонов состоит ядро гелия: из двух или из четырех? Правда, это противоречие легко можно было преодолеть, допустив, что в ядре кроме протонов есть еще и электроны. Основанием для такого допущения послужил известный факт 0-распада, при котором из ядра вылетают
62
быстрые электроны. Масса электрона, как мы знаем, почти в 2000 раз меньше массы протона, поэтому добавление электронов в ядро не изменяет его массового числа. Если все это так, то ядро гелия можно представить себе состоящим из четырех протонов и двух электронов. При этом его заряд получается равным двум, а масса четырем единицам и никакого противоречия, казалось бы, не остается.
На самом деле допущение о существовании электронов в ядре привело к ряду других противоречий, невозможность преодоления которых ясно говорила о том, что электронов в ядре нет. Но тогда из чего же состоит ядро? Ответ на этот вопрос был получен только в 1932 году, когда были открыты нейтроны - нейтральные частицы массой, примерно равной массе протона. Вскоре после их открытия советский физик Д. Д. Иваненко выдвинул гипотезу, согласно которой все ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов. В рамках этой гипотезы объясняется соотношение между зарядом и массой любого ядра (так, ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов) и снимаются затруднения, связанные с предположением о существовании в ядре электронов. Но тогда откуда берутся электроны при /3- распаде? Это был очень сложный вопрос для новой гипотезы, но вскоре и на него был дан ответ.
Масса ядра при /3-распаде практически не меняется, значит, не меняется и общее число протонов и нейтронов в ядре. В то же время согласно правилу Фаянса и Содди порядковый номер, т. е. заряд ядра, изменяется на единицу, значит, в получившемся ядре число протонов на единицу больше, чем в исходном. Объясняя вместе оба эти факта, мы неизбежно приходим к выводу о том, что /3-распад заключается в превращении внутри ядра одного нейтрона в протон. В процессе такого превращения и рождается электрон, а до момента |3-распада его в ядре не было. Подобно этому дым возникает только при горении бревна, он не содержался в нем до того, как бревно положили в костер. В отличие от электронов атомных оболочек протоны и нейтроны упакованы в ядре очень плотно - наподобие дробинок в ружейном заряде. Поэтому размер ядра весьма мал по сравнению с размером атома. А так как масса протона в 1836 раз больше массы электрона и на каждый электрон в оболочке атома приходится один протон и один-два нейтрона в ядре, то оказывается, что масса атома практически сосредоточена в ядре, а на долю всех электронов приходится от 1/2000 до 1/5000 полной массы атома.
63
Теперь можно несколько иначе взглянуть на индексы у символов изотопов. Поскольку массы протона и нейтрона, выраженные в атомных единицах массы, очень близки к единице, стоящее сверху массовое число выражает полное число частиц в ядре, а порядковый номер, как мы уже знаем, выражает число протонов в нем. Например, в ядре урана 2\\ U всего находится 238 частиц, из них 92 протона и 238 - 92 = 146 нейтронов.
ЧТО ЕЩЕ ОСТАВАЛОСЬ ИЗМЕРИТЬ?
Открытая Резерфордом первая ядерная реакция указала пути дальнейших исследований. Во многих лабораториях мира начались интенсивные исследования искусственных ядерных превращений для получения дополнительной информации о свойствах ядер и элементарных частиц. Одновременно совершенствовалась техника измерений.
