Pavel Kroupka 29.12.2021

Neutron wywnioskowany, udowodniony i odkryty

Neutron wywnioskowany, udowodniony i odkryty

Choć oficjalnie za “odkrywcę” neutronu uznaje się Jamesa Chadwicka, rola innych fizyków miała w tym przypadku niebagatelne znaczenie. W pierwszej kolejności wymienić tu należy Ernesta Rutherforda, który wraz z Geigerem i Marsdenem bombardując cienką złotą folię cząsteczkami alfa wykazał istnienie jądra atomowego - zagęszczonego obszaru w centrum przestrzeni atomu skupiającego cały dodatni ładunek oraz większość jego masy. Ze względu na swój charakter (najmniejszy ładunek i jednostkowa masa atomowa) jądro wodoru uznane zostało przez Rutherforda za podstawową cegiełkę służącą do budowy innych jąder atomowych i nazwane protonem. Szybko się jednak okazało, że postulat jądra zbudowanego z samych protonów nie wyjaśnia parametrów atomu. Problemem była masa. Liczba protonów wchodzących w skład jąder atomowych nie zgadzała się z ich masą. Logicznym wnioskiem była w tym przypadku konieczność istnienia dodatkowej cząstki uzupełniającej ową niezgodność w bilansie masy atomowej. Rutherford uzgodnił masę hipotetycznej cząstki na poziomie zbliżonym do protonu. Dodatkowym warunkiem musiał być jej neutralny ładunek elektryczny. Neutron Rutherforda fizycznie miał być kombinacją protonu oraz elektronu, co okazało się jednak błędnym założeniem (różnica mas), niemniej jednak kiedy w roku 1928 przystąpiono do eksperymentów z bombardowaniem lekkich pierwiastków cząsteczkami alfa (jądra helu) stan nauki prezentował się właśnie w ten sposób. 

Bombardowanie cząsteczkami alfa

Walther Bothe wraz ze swym studentem Herbertem Beckerem bombardując beryl odnotowali emisję promieniowania, które przedostawało się nawet przez 20-centymetrową ołowianą ścianę. Kiedy jądro pochłania cząstkę alfa staje się niestabilne i wysyła we wszystkich kierunkach promieniowanie gamma. W przypadku berylu było jednak inaczej - niestabilne jądro promieniowało jedynie w kierunku nadlatujących cząstek alfa. Promieniowanie to nazwano promieniowaniem berylowym, choć przez pewien czas uważano, iż może być to promieniowanie Roentgena. Zbliżony eksperyment przeprowadzili także Irena Joliot-Curie ze swym mężem Frederickiem, z tą różnicą, że dodatkowo w pobliżu umieścili wosk parafinowy. Gdy promienie trafiały w atomy parafiny, dochodziło do wybicia protonów, co wykluczało z kręgu podejrzanych promieniowanie rentgenowskie, którego energia wystarczyłaby jedynie do uwolnienia elektronów. Oba zespoły zgodnie stwierdziły, że muszą mieć do czynienia z wysokoenergetycznym promieniowaniem gamma. 

Pojęcie neutronu

Podobne doświadczenia prowadzili także Rutherford z Chadwickiem. Chadwick jako pierwszy wpadł na pomysł, że podczas eksperymentu z bombardowaniem berylu cząsteczkami alfa nie jest emitowane żadne promieniowanie elektromagnetyczne. Koncepcja jakiegokolwiek promieniowania elektromagnetycznego była trudna do utrzymania w kontekście założenia zachowania w zderzeniu energii oraz pędu. Zamiast niego zaproponował koncepcję emisji strumienia obojętnych elektrycznie cząstek o masie zbliżonej do protonu. Cząstki te zyskały miano neutronów. Ich obojętny ładunek tłumaczył zdolność przenikania przez nawet bardzo grube warstwy materiałów (ołów) - ich przepływ nie był bowiem ograniczany przez naładowane dodatnio protony i ujemne elektrony.

Wyjaśnienie efektów bombardowania

Chadwick proponował następujące wyjaśnienie obserwowanego zjawiska. Po uderzeniu cząstki alfa zbudowanej z dwóch protonów i dwóch neutronów w jądro izotopu berylu składające się z czterech protonów i 5 neutronów następuje reakcja, której efektem jest powstanie niestabilnego jądra izotopu węgla z sześcioma protonami i siedmioma neutronami. Niestabilny węgiel emituje neutron w kierunku przednim redukując się do formy stabilnego węgla z sześcioma protonami i taką sama liczbą neutronów. 

Elementarność neutronu

Początkowo Chadwick przyjął za Rutherfordem jego koncepcję budowy neutronu. Jednak szybko zrezygnował z modelu cząstki złożonej z protonu oraz elektronu. Zasada nieoznaczoności zaproponowana przez Heisenberga wyraźnie przeczyła takiej możliwości, jeśli nie brać pod uwagę nierealistycznego założenia bardzo wysokiej energii układu. Musiano mieć zatem do czynienia z zupełnie nową cząstką elementarną. Odkrycie neutronu stało się faktem.

 

Neutron był trzecią, po elektronie i protonie, odkrytą cząstką. Uzyskany obraz świata na poziomie cząsteczkowym był zgodny z kolejnością atomów w układzie okresowym, wyjaśniał ich masy, tłumaczył miejsce izotopów, a poza tym był elegancki pod względem formalnym. Istnienie trzech cząstek, dodatniej, neutralnej i ujemnej, było adekwatne z istnieniem spirytualnego wzorca, odpowiadało też potrzebie i pragnieniu prostej systematyzacji świata. Słowem zadowalało wszystkich. Dla niektórych sprawa mogła się jednak nieco komplikować wraz z późniejszym odkrywaniem kolejnych cegiełek, jeszcze bardziej elementarnych cząsteczek, które służyły do budowy Wszechświata. I choć neutron w sensie formalnym przestał być elementarny, to jednak historycznie ciągle nim pozostaje.

Napisz komentarz (bez rejestracji)