Η απόδειξη της ύπαρξης του νετρονίου

Posted on 01/06/2020

2


«Αναλύοντας τα αποτελέσματα πειραμάτων κρούσεων ο Chadwick το 1932 κατέληξε στο συμπέρασμα, ότι στον πυρήνα των ατόμων των στοιχείων υπάρχει εκτός από το πρωτόνιο και ένα άλλο είδος σωματιδίου, που το ονόμασε νετρόνιο. Η μεγάλη επιτυχία του Chadwick δεν ήταν μόνο η ανακάλυψη του άγνωστου μέχρι τότε νετρονίου, αλλά και το γεγονός ότι κατάφερε να προσδιορίσει με μεγάλη ακρίβεια τη μάζα αυτού του σωματιδίου. Η διάταξη που χρησιμοποίησε φαίνεται σχηματικά στην παρακάτω εικόνα.
O Chadwick παρατήρησε ότι, όταν το στοιχείο Βηρύλλιο (Be) βομβαρδιστεί από σωμάτια α (πυρήνες He), που εκπέμπονται από το ραδιενεργό Πολώνιο (Po), τότε το Be εκπέμπει καινούργια, άγνωστα μέχρι τότε σωματίδια μεγάλης διεισδυτικής ικανότητας, που είναι δυνατό να συγκρουστούν με ακίνητους πυρήνες υδρογόνου ή αζώτου και να προκαλέσουν την κίνησή τους.
Ας υποθέσουμε ότι ένα τέτοιο άγνωστο σωματίδιο μάζας mx και ταχύτητας \vec{v}_{x} συγκρούεται μετωπικά και ελαστικά με έναν ακίνητο πυρήνα υδρογόνου, δηλαδή ένα πρωτόνιο, μάζας mp. H ταχύτητα \vec{v}_{p} του πρωτονίου μετά την κρούση θα είναι:

v_{p}=\frac{2m_{x}}{m_{x}+m_{p}}v_{x}  (1)

Στην περίπτωση που το άγνωστο σωματίδιο συγκρούεται μετωπικά και ελαστικά με ακίνητο πυρήνα αζώτου μάζας mN, η ταχύτητα του πυρήνα μετά την κρούση θα είναι:

v_{N}=\frac{2m_{x}}{m_{x}+m_{N}}v_{x}  (2)

Διαιρώντας τις εξισώσεις (1) και (2) κατά μέλη, και χρησιμοποιώντας το δεδομένο ότι η μάζα mN του πυρήνα του αζώτου είναι mN=14mp, παίρνουμε τελικά:

\frac{v_{p}}{v_{N}}=\frac{m_{x}+14m_{N}}{m_{x}+m_{p}}  (3)

O Chadwick κατόρθωσε να μετρήσει πειραματικά τις ταχύτητες υp και υΝ και να προσδιορίσει έτσι το λόγο τους, τον οποίο βρήκε ίσο με 7,5. Δηλαδή:

\frac{v_{p}}{v_{N}}=7,5  (4)

Έτσι, από τις εξισώσεις (3) και (4) βρίσκεται ότι η μάζα του άγνωστου σωματιδίου ισούται περίπου με την μάζα του πρωτονίου:  mx≈mp
Χρησιμοποιώντας ο Chadwick άλλους στόχους, αντί του υδρογόνου και του αζώτου, επανέλαβε πολλές φορές τα πειράματα βρίσκοντας κάθε φορά την ίδια περίπου τιμή για τη μάζα mx. Έτσι, κατέληξε στο συμπέρασμα, ότι η ύπαρξη του νετρονίου είναι ένα γεγονός που δεν επιδέχεται αμφισβήτηση».

Κάποιοι (με ηλικία μεγαλύτερη των 40) ίσως να αναγνώρισαν με νοσταλγία (ή «φρίκη») την πηγή του παραπάνω κειμένου που περιγράφει την ιστορική ανακάλυψη του νετρονίου από τον James Chadwick.

Η πρώτη, πολύ σύντομη ανακοίνωση της ανακάλυψης της ύπαρξης του νετρονίου έγινε στις 17 Φεβρουαρίου 1932 στο περιοδικό Nature με τίτλο «Possible Existence of a Neutron». Επειδή την εποχή εκείνη ο κατάλογος των στοιχειωδών σωματιδίων ήταν πενιχρότατος, ο Chadwick αρχικά υπέθεσε πως το νετρόνιο ίσως συνίσταται από ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο.

Η λεπτομερής δημοσίευση που περιγράφει αναλυτικά το πείραμα και όλο το σκεπτικό των συμπερασμάτων έγινε την 1η Ιουνίου του 1932, σαν σήμερα, με τίτλο «The existence of a neutron»

Οπότε, λόγω της ημέρας, ας διαβάσουμε αναλυτικά την απλή (και σπουδαία) φυσική της ανακάλυψης του νετρονίου που περιέχει η δημοσίευση του Chadwick:

Click to access the-existence-of-a-neutron.pdf