Sobre el experimento que descubrió los neutrones
En la historia de la física, el descubrimiento del neutrón pasó por un proceso cognitivo tortuoso y dramático. Una vez se perdió el famoso físico experimental Iorio Curie, lo que trajo muchos arrepentimientos a la pareja. Hoy en día, revisitar este período de la historia todavía nos proporciona mucha inspiración.
El descubrimiento de los neutrones es inseparable de la exploración humana de la estructura de los núcleos atómicos.
1. El descubrimiento del protón y la hipótesis del modelo protón-electrón del núcleo atómico.
En 1911, el físico británico Rutherford propuso la estructura nuclear del átomo basándose en los resultados. de experimentos de dispersión de partículas alfa. Este modelo fue apoyado y desarrollado por Bohr y rápidamente fue reconocido por los físicos. Desde entonces, los físicos se han enfrentado a una serie de preguntas: ¿De qué está compuesto el núcleo? ¿El núcleo celular todavía tiene estructura?
En 1919, Rutherford realizó un experimento en el que bombardeó núcleos de nitrógeno con partículas alfa liberadas por el radio. Descubrió los protones y logró por primera vez la evolución artificial de los núcleos atómicos. En ese momento, la gente se dio cuenta de que las partículas básicas eran solo protones, electrones y fotones, por lo que en la década de 1920 se creía generalmente que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y electrones, y se suponía que un núcleo con un peso atómico n y un número atómico z debe estar compuesto por n. El protón está compuesto por electrones n-z y luego forma un átomo neutro con electrones orbitales z. Este es el modelo "protón-electrón" del núcleo atómico. Sin embargo, esta suposición tropieza con algunas dificultades. Una de las dificultades: ¿En qué estado se encuentra el electrón en el núcleo? En el modelo "protón-electrón", los electrones existen como individuos en el núcleo. Cuando N = 238, se estima que el radio del núcleo es de 8,7 cm, mientras que el radio clásico del electrón es de 2,8 cm. ¡Como parte individual, los electrones son casi iguales que todo el núcleo atómico! Esto es inimaginable; la segunda dificultad: según el principio de incertidumbre propuesto por Heisenberg en 1927, si un electrón está confinado en un núcleo muy pequeño, su impulso será muy incierto, por lo que no podrá permanecer en el núcleo más de una fracción de tiempo. una segunda; la tercera dificultad: contradecir la estadística de muchos cuerpos y la teoría del espín en la mecánica cuántica. En 1925, Uhlenbeck y Goldschmidt propusieron que el electrón tiene espín y su número cuántico es igual a 1/2, y el número cuántico del protón también es igual a 1/2. Entonces, para un núcleo de nitrógeno, dado que tiene 14 protones y 7 electrones, el número total de espines de estas partículas debería ser fraccionario. Sin embargo, los experimentos lo demuestran. En cuanto a las dos últimas dificultades, muchos físicos conocidos dudan de que la mecánica cuántica no se aplique al interior del núcleo atómico. No hay duda de que el modelo "protón-electrón" en sí tiene problemas.
2. Las predicciones de Rutherford sobre los “neutrones”
Cuando las dos últimas dificultades del modelo “protón-electrón” no aparecieron, Rutherford señaló (1920) Si un protón y un El electrón se considera como un complejo y una partícula, la contradicción teórica puede resolverse. Este complejo "protón-electrón" debería ser eléctricamente neutro. Predijo: "Bajo ciertas condiciones, un electrón puede combinarse más estrechamente con el núcleo de hidrógeno, formando así un dipolo neutro. Un átomo así tendría propiedades muy inusuales. Su campo eléctrico externo sería en realidad igual a cero, a menos que esté muy cerca hasta su núcleo, por lo que puede moverse libremente a través de la materia. Sus propiedades pueden ser difíciles de detectar con un espectroscopio y debería ser imposible mantenerlo en un recipiente cerrado. Por otro lado, debería ingresar fácilmente a la estructura atómica. ya sea combinado con el núcleo o dividido por el campo fuerte del núcleo "La existencia de tales átomos parece ser crucial para explicar la composición de los núcleos de los elementos pesados", afirmó Rutherford. A principios de la década de 1920, investigadores del Laboratorio Cavendish intentaron sin éxito detectar la formación de este hipotético "neutrón" haciendo pasar una fuerte corriente a través de un tubo de descarga de hidrógeno.
3. El experimento de radiación de berilio de Bert
En 1930, los físicos alemanes Bert (W.W.G. Bothe, 1891 ~ 1957) y H. Becker utilizaron partículas alfa para bombardear elementos ligeros, especialmente berilio, encontrados. emitir un rayo de baja intensidad pero muy penetrante. Esta radiación no se desvía (y por lo tanto no se carga) ni en campos eléctricos ni magnéticos. Tras atravesar una placa de plomo de 2 cm de espesor, la intensidad de la radiación sólo se reduce en un 13%. En aquella época, esta radiación se llamaba radiación de berilio. Según investigaciones sobre diversas radiaciones descubiertas en aquella época, ni los rayos alfa ni los rayos beta tienen un poder de penetración tan fuerte. Los únicos rayos sin carga que podían atravesar el plomo eran los rayos gamma, por lo que los dos físicos pensaron erróneamente que habían descubierto los rayos gamma de alta energía.
Basándose en el hecho de que la intensidad de este rayo se debilitó después de atravesar la placa de plomo, calcularon que la energía de este rayo era de unos 10 MeV.
4. El experimento de Curie de radiación de berilio bombardeando parafina.
En 1932, Iorio Curie y su esposa repitieron el experimento de radiación de berilio de Bert. Sus condiciones experimentales eran muy buenas, con una fuerte fuente de radiación, por lo que fue fácil obtener los mismos resultados que Burt. Para medir la absorción de radiación de berilio por parte de una sustancia, colocaron varias sustancias entre una placa de berilio y un radiómetro. Inesperadamente, se descubrió que cuando se colocaba parafina en el camino de la radiación de berilio, el número de partículas registradas por el radiómetro no sólo no disminuía, sino que en realidad era mucho mayor que sin parafina. Después de la identificación, descubrieron que los protones salían volando de la parafina. Esto sugiere que la radiación de berilio ha producido protones a partir de la parafina. Basándose en la velocidad de los protones, calcularon que la energía de este rayo era de 50 MeV, muy lejos de los 10 MeV mencionados anteriormente. Sin embargo, Iorio Curie y su esposa continuaron pensando en la línea errónea de Bert y explicaron este fenómeno como la dispersión Compton de fotones a partir de protones. 1932 65438+18 de octubre, Iorio y Curie publicaron sus resultados experimentales y comentarios. Debido a su desdén por la teoría, perdieron la oportunidad de descubrir los neutrones.
5. Chadwick descubrió el neutrón.
Los artículos de Iorio y Curie llegaron al Reino Unido. El físico británico Chadwick leyó sus artículos y le contó a Rutherford el contenido de los mismos. Se dice que Rutherford gritó "No lo creo" al escuchar su explicación, y Chadwick tampoco lo creyó. Después de pensar un poco, inmediatamente se dio cuenta de que el protón que retrocedía con una energía tan alta nunca podría ser el resultado de una colisión de fotones, sino que probablemente fue el resultado de la colisión de "partículas neutras" predicha por Rutherford hace diez años. Usó polonio y berilio como fuentes radiactivas, y utilizó este nuevo rayo para bombardear elementos como el hidrógeno, el helio y el nitrógeno. Se descubrió que las propiedades de este rayo eran diferentes a las de los rayos ordinarios. Generalmente, cuando un rayo incide sobre una sustancia, cuanto más densa es la sustancia, más absorbe. Las propiedades de este rayo son exactamente opuestas. Cuanto menor es la densidad, más fácil es que el material lo absorba. Cuando Chadwick bombardeó átomos de hidrógeno con este rayo, descubrió que se expulsaban núcleos de hidrógeno, lo que demostraba que este rayo era una corriente de partículas con una determinada masa. Debido a que este flujo de partículas no está cargado, los campos eléctricos y magnéticos no tienen ningún efecto sobre él, por lo que su masa no se puede calcular a partir de su trayectoria en un campo magnético o eléctrico. Chadwick creía que cuando esta partícula pasa a través de una sustancia, chocará elásticamente con el núcleo atómico de la sustancia, transfiriendo así energía al núcleo atómico, haciendo que el núcleo atómico colisionado se mueva y midiendo la fuerza de la velocidad del núcleo atómico tocado. , de modo que la masa de dicha partícula pueda calcularse basándose en la conservación del momento y la energía. Bombardeando átomos de hidrógeno y nitrógeno, calculó que la masa de esta partícula era casi igual a la masa de un protón, y llamó a la partícula de este rayo "neutrón"
6. de neutrones
El descubrimiento de los neutrones tuvo un impacto significativo y de gran alcance en el desarrollo de la física nuclear. Los neutrones son un tipo de partícula completamente nuevo. Su descubrimiento permitió construir un modelo nuclear sin la participación de electrones y también resolvió el problema de si la mecánica cuántica se aplica al interior del núcleo atómico. Poco después del descubrimiento del neutrón, el famoso físico Heisenberg publicó un artículo en el que afirmaba que la mecánica cuántica también se aplica al interior del núcleo atómico y señalaba que el núcleo atómico está compuesto de protones y neutrones. Debido a que los neutrones no están cargados, no existe repulsión de Coulomb entre ellos y los núcleos atómicos, y pueden llegar a todos los núcleos atómicos, convirtiéndose en la herramienta más eficaz para promover la evolución de los núcleos atómicos. El descubrimiento de los neutrones también condujo al estudio de las fuerzas nucleares y. impulsó el desarrollo de la física de partículas.
7. Algunas revelaciones
El concepto de "neutrón" fue propuesto por primera vez por Rutherford para resolver las dificultades que enfrentaba la teoría, y luego fue descubierto en experimentos. Una de las razones del éxito de Chadwick fue que pensó en el concepto de neutrón. Anteriormente había intentado, sin éxito, generar neutrones mediante descargas fuertes u otros métodos, de modo que cuando aparecieran pudiera encontrarlos de forma inmediata, clara y convincente. En cuanto a los Curie de Yagami-an, debido a que no estaban preparados mentalmente, obviamente aparecieron neutrones en sus experimentos, pero no lo sabían. Como dijo Iorio: "Si mi marido y yo hubiéramos escuchado la Conferencia Beckley de Rutherford, no le habríamos dado a Chadwick una ventaja". Esto también refleja lo importante que es el intercambio de ideas académicas en la investigación científica.