تحقیق مقاله چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟

چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟

جیمز چدویک

James chadwick میلادی- فیزیک‌دان انگلیسی (زاده 1891 میلادی - درگذشته 1974 میلادی) در سال 1932 میلادی نوترون را، که رادرفورد در سال 1920 میلادی وجود آن را پیشبینی کرده بود، کشف کرد و به همین سبب، در سال 1935 میلادی جایزهٔ نوبل در فیزیک را گرفت. نام این فیزیک‌دان را، در فارسی، چادویک نیز نوشته‌اند.

چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد .در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده است که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره‌ی فرضی نام نوترون (به معنای خنثی) راپیشنهاد کرد . تحقیق در یافتن نوترون تا سال 1932 به دو دلیل نامؤفق ماند .اول آنکه دانشمندان نمی توانستند ماده ی طبیعی بیابند که گسیل کننده ی نوترون باشد و دیگر آنکه روش هایی که برای آشکارسازی ذرات اتمی به کار برده می شد ، همگی به آثار بار الکتریکی ذرات بستگی داشت.

در سال 1930 بث و بکر دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شوند، تابش هایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از نوع پرتوهای گاما هستند زیرا این پرتوها فاقد بار الکتریکی بودند . فردریک ژولیو و ایرن کوری به بررسی جذب تابش مذکور در پارافین پرداختند(پارافین ماده ی غنی از هیدروژن است) . آنها دریافتند که تابش حاصل ا زبریلیم وقتی به پارافین برخورد می کند، تعداد بسیاری هسته ی هیدروژن (پروتون) از پارافین می راند .چادویک به مطالعه ی انرژی پروتون های رانده شده پرداخت و بر اساس قوانین پایستگی و اندازه حرکت در فیزیک کلاسیک ، این فرض را بنا نهاد که ماهیت تابش حاصل از بمباران بریلیم نوترونی است که بار صفر و جرم برابر یک دارد . به عبارت دیگر وقتی بریلیم با ذره ی آلفا بمباران شود ، واکنش هسته ای صورت می گیرد و نوترون تولید می‌شود:

وقتی نوترون ها به درون پارافین راه می یابند، گاه و بی گاه با هسته های هیدروژن برخوردهای رودرو پیدا می کنند و به دلیل یونشی که ایجاد می کنند پروتون هایی پس زده مشاهده می شود . چنین نوترون هایی بنا به فرض چادویک به علت آنکه بار الکتریکی ندارند می توانند در اجزای ماده ی متراکمی همچون سرب نفوذ کنند بدون آنکه انرژی خود را از دست بدهند .

از سال 1932 به بعد درباره ی خواص و برهم کنش بین نوترون ها و اتم ها پژوهش های بسیاری به عمل آمده و شاخه ای به نام فیزیک نوترونی بوجود آمد . فیزیک نوترونی با تولید نوترون ها ، آشکارسازی آنها و برهم کنش آنها با هسته های اتمی و با ماده ی توده ای سروکار دارد .این پژوهش ها در میان پژوهش های دیگر به کشف شکافت هسته ای انجامید .

تاریخچه

از آنجا که اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند، تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند. برای توجیه جرم کل اتمها ، ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است.

ولی در 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون (از واژه لاتین به معنای خنثی) نامیده می‌شوند، منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده های بدست آمده از بعضی از واکنشهای هسته‌ای مولد نوترون ، جرم نوترون را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمامی ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می‌شوند، جرم نوترون را محاسبه کرد. جرم نوترون 24-10×6749/1 g است که اندکی بیش از جرم پروتون (24-10×6726/1 گرم) می‌باشد.

معادله واکنش نوترونی

گسیل نوترون برای اولین بار در سال 1932 در ضمن بمباران بریلیم با ذرات ‏آشکار شد. درنتیجه گیراندازی ذره آلفا توسط هسته بریلیم ، هسته کربن ‏تشکیل و نوترون گسیل شد. بعدها شمار زیادی ‏واکنشهای هسته‌ای کشف شد که نوترون آزاد می‌کردند.

انواع نوترون‏

نوترونهای سرد

نوترونهای کند نوترونهای حرارتی

نوترونهای تند نوترونهای سریع

نوترونهای فوق سریع نوترونهای نسبیتی

چشمه تولید نوترون

برای بدست آوردن نوترون مثل سابق واکنش ذره آلفا با بریلیم معمول ‏است. حتی اکنون نیز آمپولهای محتوی آمیزه ای از ماده پرتوزای آلفا و گرد ‏بریلیم بعنوان چشمه تراکم نوترون بکار می‌رود. چنین چشمه نوترونی ‏را در نزدیکی اتاقک ابر ویلسون در حال کار قرار می‌دهیم که در آن لایه ‏نازکی از ماده محتوی هیدروژنمثلاً پارافین قراردارد.

روی عکسی که از این اتاقک گرفته شود، ردهایی مشاهده می‌شود که از ‏این لایه خارج می‌شوند. چنانکه می‌توان از روی جنس یونش پی برد که ‏اینها ردهایپروتون هستند. تمام ردها به طرف جلو هستند. آنها با پرتونهایی ‏ایجاد شده‌اند که بعلت برخورد نوترونهای تند گسیل شده از چشمه از ‏لایه خارج شده اند. خود نوترونها که از اتاقک می‌گذرند ردی ندارند.

بنابراین ، نوترونها یونش ‏قابل ملاحظه‌ای تولید نمی‌کنند، یعنی برخلاف ذرات باردار آنها با الکترونها ‏عملاً اندر کنش ندارند. نوترونها با گذر از میان ماده فقط باهسته های اتمی ‏اندرکنش می‌کنند. ولی نظر به اینکه اندازه هسته‌ها خیلی کوچک است، ‏برخورد نوترونها با آنها خیلی بندرت صورت می‌گیرد.

اتم هیدروژن در واقع حالت مقید یک الکترون و یک پروتون است. هسته اتمی عناصر دیگر از پروتونها و نوترونهایی تشکیل می‌شود که با برهمکنشی قوی در قید یکدیگرند. پروتونهای آزاد را می‌توان هم در پرتوهای کیهانی یافت و هم با شتاب دهنده‌های ذرات تولید کرد. در آزمایشهای ویلهلم وین در سال 1898 و آزمایشهای متأخر جوزف تامسون در سال 1910، در میان ذرات یافت شده در جریانهای گازی یونیده ، ذره آلی با بار مثبت شناسایی شد که جرم آن تقریبا با جرم اتم هیدروژن بود.
در سال 1911 ارنست رادرفورد، در آزمایشهایی که در آنها که نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد، دوباره با چنین ذرات باردار مثبتی روبرو شد و آنرا به عنوان هسته هیدروژن شناسایی کرد. تا سال 1920، او به این نتیجه رسیده بود که این ذره ، ذره بنیادی است و با توجه به این که واژه 'protos' ، در زبان یونانی به معنی نخستین است، آنرا پروتون نامید تا موقعیت اولیه در خور اهمیت آن را در میان هسته‌های اتمی عناصر نشان دهد.

جرم پروتون

جرم پروتون برابر است با mp = 938.272 MeV/C2 = 1.6726X10-27 Kg جرم پروتون 1836 برابر جرم الکترون است. برای مشاهده واپاشی پروتون به ذرات سبکتر ، جستجوی تجربی فراوانی انجام شده ، ولی تا به حال نتیجه‌ای حاصل نشده است. مستقل از مد واپاشی ، حد پایین طول عمر میانگین پروتون ، τ، را می توان حدود 1025 سال دانست. عمر میانگین پروتون در بعضی از مدهای واپاشی خاص به حد بالاتری می‌رسد، برای مثال در واپاشی p → e+ + π0مقدار τ بزرگتر از 1032 سال است.

بار الکتریکی

بار الکتریکی پروتون مثبت است. این بار در مقایسه با بار الکترون مقداری مساوی و علامتی مخالف دارد. qp = -qe = -e شواهد تجربی نشان می‌دهد که ماده (از لحاظ بار الکتریبکی) خمثی است و در آن lim (|qp + qe|/e)<1021 است. حد گشت و در دو قطبی الکتریکی پروتون ، dp ، کمتر از 7-10 emf است (1fm = 10-15m) ، و میانگین مربعی شعاع بار پروتون که در آزمایشهای پراکندگی الکترون از پروتون بدست می‌آید، در حدود 0.72fm2 است. پروتون دارای تکانه زوایه ای h/2 ، پاریته مثبت و گشتاور مغناطیسی 2.792847µN است (µN مگنتون هسته‌ای است).

µN = eh/2mpc = 0.1050 efm = 3.152X10-14MeV/T-1

نوترون ذره‌ای است که ساختارش شباهتهای فراوانی به ساختار پروتون دارد. تشابه جرم پروتونم و نوترونها ، در کنار یکسان بودن تکانه زاویه‌ای (اسپین) هر ذره یکسانی تقریبی برهمکنشی قوی میان پروتونها و برهمکنش قوی میان نوترونها ، به معنی مفهوم ایزوسپین منجر می‌شود. پروتون و نوترون را مشترکانوکلئون می‌نامند. نوکلئون به دسته ذراتی که باریون نامیده می‌شود تعلق دارد. باریون تکانه زاویه‌ای نیمه صحیح (با یکای h) دارد. نوکلئون سبکترین باریون است.

پاد پروتون (ضد پروتون)

پروتون پاد ذره‌ای به نام پاد پروتون دارد. پاد پروتون را اوئن چمبرلین ، امیلیو سگره ، کلاید ویگاند و توماس یسپسیلانتیس در سال 1955 میلادی ، با استفاده از بواترون در آزمایشگاه تابش برکلی ، کشف کردند. پس از مدت زمان کوتاهی ، پاد نوترون نیز با استفاده از همین بواترون کشف شد.

ترتیب در هسته اتم

هسته هر اتمی از پروتونها و نوترونها (یا نوکلئونها) تشکیل می‌شود. و این نوکلئونها از طریق برهمکنش قوی با یکدیگر پیوند دارند. ترکیب پروتونها و نوترونها در هر هسته معین بصورت A Z نشان داده نی شود که در آن ، A = Z+N است ، N و Z به ترتیب تعداد نوترونها و تعداد پروتونها است. تعداد پروتونها در هسته ، تعیین کننده تعداد الکترونهای اتم و در نتیجه تعیین کننده ویژگیهای اتمی (یا شیمیایی) است. در نمایش A Z ، علامت Z را اغلب با نماد شیمیایی اتم جایگزین می‌کنند.

ایزوتوپها

ایزوتوپها هسته‌هایی هستند که تعداد پروتونهای آنها باهم برابر ، ولی تعداد نوترونهایشان باهم متفاوت است. برای مثال ، ایزوتوپهای پایدار کلسیوم (Z = 20) عبارتند از: 48Ca ، 46Ca ، 44Ca ، 42Ca ، 40Ca. برای پایدارترین ایزوتوپهای عناصر سبک داریم : Z < N ، که این امر به دلیل قویتربودن برهمکنش پروتون - نوترون در مقایسه با برهمکنش پروتون - پروتون و نوترون - نوترون و همچنین به دلیل این است که انرژی جنبشی برای N = Z کمینه می‌شود. برای عناصر سنگینتر ، تأثیر دافعه کولنی بین پروتونها بطور نسبی مهمتر می‌شود و در نتیجه در پایدارترین ایزوتوپ داریم: N > Z.
خواص نوکلئونها در برقراری قوانین پایستگی و تعیین دقت آنها حائز اهمیت است. پایداری پروتون ، به مفهوم باریون منجر می‌شود. به نوکلئون و الکترون ، به ترتیب عددهای بار Bn = 1 و Bn = 0 نسبت می‌دهند. قاعده پایستگی عدد بار یونی ، همراه با این واقعیت که پروتون سبکترین باریون است، مانع از واپاشی پروتون می‌شود. با این همه نظریه وحدت بزرگ (GUT) پیش بینی می‌کند که بوزونهای پیمانه‌ای ابر سنگینی وجود دارند که در برهمکنش آنها ناپایستگی باریونها مجاز است، در نتیجه پروتون می‌تواند واپاشیده شود. حد تجربی طول عمر پروتون ، این مدلها را به شدت مقید می‌کند. برعکس الکترونها ، نوکلئونها ذرات بنیادیهستند.