Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Если поместить камеру Вильсона между двумя разноименными полюсами магнита, то заряженные частицы будут двигаться по криволинейным траекториям, о чем можно будет судить по оставляемым ими следам. По направлению кривой можно определить, является заряд частицы положительным или отрицательным, а по остроте кривой можно вычислить значение соотношения e/m.

Для образования электронов необходимо, чтобы летящая частица обладала электрическим зарядом. Положительно заряженная частица притягивает электроны встречающихся на пути атомов, а отрицательно заряженная будет их отталкивать. Незаряженная частица не притягивает, не отталкивает электроны и не образует ионов. Таким образом, такую незаряженную частицу невозможно обнаружить с помощью счетчика Гейгера — Мюллера или камеры Вильсона (и любого другого разработанного позже устройства). Если незаряженные частицы существуют, то их можно обнаружить лишь косвенно.

Именно поэтому ученым в течение 10 лет не удавалось обнаружить нейтральную частицу и разработать более совершенную модель атома, чем протонно-электронная.

В начале 1930 года появились данные о том, что под действием альфа-лучей бериллий начинает испускать какой-то неизвестный тип излучения. Это излучение обладало высокой проникающей способностью и не меняло своего направления под действием магнитного поля. Сначала решили, что это гамма-лучи. Однако новое излучение не являлось гамма-лучами, так как не обладало ионизирующим свойством и его невозможно было обнаружить с помощью электроскопа.

Это излучение действительно невозможно было обнаружить напрямую. Однако оно выбивало протоны из парафина, что и дало возможность обнаружить его косвенно.

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974) дал этому феномену удовлетворительное объяснение. Электромагнитное излучение может сдвинуть разве что легкие электроны, а не тяжелые протоны. Выбивать же протоны с такой легкостью может лишь какая-то другая частица, масса которой соизмерима с массой протона. Раз эта частица не ионизирует воздух, значит, она не несет электрического заряда. Т. е. это и есть та самая частица, которую ученые ищут вот уже более 10 лет. Так как заряд частицы нейтрален, она получила название нейтрон.

Итак, ученым удалось обнаружить нейтрон, и Гейзенберг тут же предложил протонно-нейтронную модель атома. Согласно этой модели, ядро состоит только из протонов и нейтронов. Масса нейтрона равна массе протона, а сумма протонов (p) и нейтронов (n) равняется атомному весу (A). С другой стороны, заряд ядра зависит только от положительно заряженных протонов, поэтому заряд ядра равняется атомному числу (Z). Таким образом:

Количество нейтронов можно определить путем вычитания уравнения 7.1 из уравнения 7.2:

Новая модель давала полное представление о структуре ядра атомов тех элементов, чьи атомные веса приблизительно равнялись целым числам.

Ядро атома водорода (А = 1, Z = 1) состоит только из одного протона; ядро атома гелия (А = 3, Z = 2) — из двух протонов и двух нейтронов; ядро атома мышьяка (А = 75, Z = 33) — из 33 протонов и 42 нейтронов; ядро атома урана (А = 238, Z = 92) — из 92 протонов и 146 нейтронов.

Протонно-нейтронная модель смогла дать ответы на те вопросы, на которые не могла дать протонно-электронная модель. Например, ядро атома азота (А = 14, Z = 7) состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, итого из 14 частиц. Спин нейтрона такой же, как и протона, +½ или –½, и значение общего спина 14 (и любого другого количества) частиц будет целым числом.

Сегодня протонно-нейтронная модель является общепризнанной, а протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, то есть «частицами атомного ядра».

Конечно же и эта модель не дает ответа на все вопросы. Например, если ядро состоит только лишь из протонов и электронов, то откуда же берутся электроны бета-лучей, испускаемых радиоактивными веществами? Ведь именно существование бета-лучей и дало повод считать, что в ядре есть электроны.

Ответ на этот вопрос дают свойства нейтронов, не имеющие ничего общего со свойствами протонов и электронов. И электроны и протоны являются устойчивыми частицами. Это значит, что если Вселенная состояла бы из одних лишь электронов и протонов, то оставалась бы неизменной. Вселенная обязана своим современным обликом именно нейтрону, неустойчивой частице.