1. Нейтрон в ядерной физике и ее приложенпях пграет но меньшую роль, чем электрон в электронике. Хотя при пзучении физити ядра мы все время имели дело с нейтронами, до спх пор ничего не было скязано об истории открытия этих частиц. А этот вопрос в учебнике, несомненио, представляет определенный интерес. Заполним теперь коротко этот пробел.
Первая искусственная ядерная реакция
\[
{ }_{7}^{14} \mathrm{~N}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} \rightarrow{ }_{8}^{17} \mathrm{O}+{ }_{1}^{1} \mathrm{H}
\]

паблюдалась Резерфордом в 1919 г. Протоны в этой рсақции регистрировались по сцинтилляциям, вызываемым ими на экране пз сернистого цинка. После отжрытия реакции (92.1) Резерфордом. Чедвиком и др. началось энергичное изученте аналогичны ядерных реакций. Однако до 1931 г. пе существовало ускорителей, іригодных для этої цели. Искусственные превращения атомных ядер пытались осуществлять путем облутения их $\alpha$-частицамп, особеншо наиболее энергичпыми, пспускаемыми ${ }_{84}^{214} \mathrm{Po}$ (радиохимическое обозпачепие этого пвотопа $\mathrm{RaC}^{\prime}$ ). Было установлено, что многие элементы, препмущественно легкие, у лоторых кулоновский барьер сравнительно невысок, при тажом облутении испускали протошы. Однако среди самых легких әлементов оказались и такие, папример Ве и $\mathrm{Li}$, которые при облучени $\alpha$-частицами протонов не испускали.
2. Был поставлен вопрос, не ноявляется ли при $\alpha$-облутиии различных веществ калое-то новое пзлучение, которое пе дает сдинтилляций на экране шз серпистого цинка. Для ответа па этот вопрос Боте (1891-1957) и Г. Беккер в конце 1930 г. заменили әкрап из серппстого цинка счетчићом Гейгера. В качестве источпика $\alpha$-части был взят ${ }_{84}^{218} \mathrm{Po}$, хотя энергия испускаемых пм $\alpha$-частиц и пе очень велика $(5,25 \mathrm{M}$ ) . Такой выбор был сделан потому, что ${ }_{84}^{218}$ Ро пспускает только $\alpha$-частицы и не дает $\beta$ – и $\gamma$-излучений, осложняющих опыт. Между источником $\alpha$-частиц и счетчиком Гейгера вводилась пластинка из исследуемого вещества, например бериллия, которая и подвергалась облучению. За облучаемой пластинкой можно было вводить свиндовые пластины различної толщины для суждения о поглощенип неизвестных лучеї, если таковые будут обнаружены.

Опыт действительно показал, что при облучении некоторых веществ (бериллий, бор, литиї) возникает какое-то излучение, вызывающее слабые разряды счетчика Гейгера. Особенно сильное излучение давал бериллиї. Бериллиевые лучи, как мы будем временно называть непзвестпое излучение, оказалпсь весьма проникающими. При прохождении через слой свинда толщиной 2 см птенспвность берпллиевого излучения уменьшалась всего на $13 \%$. На основанши этого можно было заключить, что бериллиевые лучи должны состоять из электрически неӥтральных частиц, так как заряженные частицы понизуют среду и поэтому поглощаются значительно сильнее. Из нейтральных же частиц в 1930 г. были известны только фотоны. Поэтому Боте и Беккер вполие естественно предположнли, что бернллиевые лучи состоят пз $\gamma$ квантов, и притом очень жестких. Однако при более подробных исследования это предположение не подтвердилось.

Если бы бериллиевые лучи представляли собой $\gamma$-излучение, то по их поглощению в свине, например, можно было бы оценить эшергию соответствующего $\gamma$-кваита. Такпм путем было найдено, что максимальная энергия $\gamma$-кванта должна быть около 7 МэВ. А это не согласовывалось с результатами, пайдепиыми из других опытов. Кроме того, поглощение $\gamma$-лучей тем больше, чем больше плотность поглотителя. Для бериллиевых лучеї соотношение оказалось обратным.
3. И. Кюри п Ф. Жолио-Кюри в 1932 г. повторили опыты Боте и Беккера, заменив счетчик Гейгера ионизационной камерой. Помещая между источником бериллиевых лучей п попизационной камерой листы парафина, они обнаружили, что из парафина шсходили протоны, максимальный цробег которых в воздухе достигал 26 см. Такому пробегу соответствовала энергия протона $\mathscr{E} \approx 4,5$ МэВ. Появление протонов отдати в этих опытах было непосредственно доказано путем наблюдения треков в камере Вильсона. Подобно парафину действуют также все водородсодержащие вещества.

Зная максимальную энергию протонов, на основе гипотезы Боте и Беккера о природе бериллиевого излучения супруги Кюрп вычислили необходимую максимальную энергию $\gamma$-квантов. Расчет производился следующим образом.

Если протоны появляются под действием $\gamma$-квантов, то, очевидно, этот процесс есть комптон-эффект на протонах водорода, в котором их можно считать свободными. Поэтому для изменения длины волны $\lambda$ при рассеянии $\gamma$-кванта на угол $\vartheta$ можно воснользоваться известной формулой
\[
\lambda^{\prime}-\lambda=(h / m c)(1-\cos \vartheta),
\]

в которой, однако, $m$ означает массу протона, а нө әлектрона

(см. § 3). Максималыное пзменение длипы волны получается при рассеянип назад, т. е. при $\theta=\pi$. В этом случае $\lambda^{\prime}-\lambda=2 h / m c$. Отсюда находим частоту $v^{\prime}$, а затем и энергию выбитого протона:
\[
\mathscr{E}=h v-h v^{\prime}=\frac{h v}{1+m c^{2} / 2 h v} .
\]

Нодставляя сюда $\mathscr{E}=4,5 \mathrm{M} B, m c^{2}=938 \mathrm{MaB}$, вычисляем $h v=$ $=48 \mathrm{M}$. Такова должна быть энергия $\gamma$-квантов, ттобы прл их рассеянии получились протоны требуемой энергии. Сами $\gamma$-квапты должны возникать в бериллии под действием $\alpha$-частиц, излутаемых полопнем. Так как энергия последиих всего 5,25 МэВ, то трудно допустить, чтобы опи возбуждали $\gamma$-квапты столь высоких энергий. Кроме того, полученное значение 48 МәВ не согласуется с эпергией 7 МәВ тех же $\gamma$-квантов, пайденной по их поглощению.
4. Напболсе тщательные псследования природы берпллиевого нзлучения были произведены Чедвиком в 1932 г. Схема его устаповки принципиально не отличается от той, какой пользовались
Рис. 158

супруги Кори. Она изображена на рис. 158. На подложку $D$ напосили слой полония Ро. Альфа-частиды, пспускаемые ядрами Ро, вступали в ядерную реакцию $(\alpha, n)$ с ядрами Ве. Нейтропы па пути к чопизадионной камере пропускались терез слой парафина. Заметим, что ионизационная камера $I$ прикрывалась листами алюминия различной толщины для определения пробегов, а следовательно и энергий протонов, исходивших из парафина. Для максимальной эңергии протонов из парафина Чедвик получил $\mathscr{E}=5,7 \mathrm{M}$. Если бы бериллиевые лучи состояли из $\gamma$ эвантов, то прн таком значении $\mathscr{E}$ максимальная энергия $\gamma$-кванта получилас бы $h v=55 \mathrm{M}$. Но Чедвик исследовал рассеяпие бериллиевых лучей не только парафином, но и другими веществами и рассчитал по формуле (92.2) соответствующие максимальные энергии $\gamma$-квантов. Из измерения пробегов ядер отдачи в азоте получилось $h v=90 \mathrm{M}$, а в аргоне $h v=150 \mathrm{M}$, .

Итак, гипотеза, отождествлявшая бериллиевые лучи с $\gamma$-квантами, приводила к противоречивым результатам. Для одной и той же величины различные методы давали значения $7,55,90$, 450 МәВ. Это доказывало неправильность указанной гипотезы. Однако, как указал Чедвик, все протнворечия устраняются, если предположить, что бериллиевые лучи образуются потоком не ๆ-квантов, а других нейтральных частиц, названных им нейтронами.

Возможность существования нейтронов предусматривалась еще Резерфордом в 1920 г. Он допускал возможность существования сложной частицы, состоящей из протона и электрона. Но в этой тастице протон и электрон связаны между собой еще более прочно, чем в атоме водорода в основном состоянии. Существование подобної нейтральной частицы подтвердилось, но гипотезу о ее строении из протона и электрона пришлось оставить (см. § 63).

Однако гипотеза Резерфорда о строении нейтрона позволяет сразу понять, почему для выбивания наблюдаемых протонов из парафина требуются нейтроны несравненно меньшей энергии, чем энергия $\gamma$-кваптов. Дело в том, что в соответствии с гипотезой Резерфорда масса нейтрона должна быть с большой точностью равна массе протона. Примем, что масса $m$ протона и пейтрона одна и та же. При лобовом столкновении $\gamma$-квапта с энергией $h v$ с протоном последний получает импульс $m v=h v / c$. Отсюда
\[
\frac{m v^{2} / 2}{h v}=\frac{v}{2 c} .
\]

Но при равенстве масс протона п нейтрона величнна $m v^{2} / 2$ равна также энергии пейтрона. Из последней формулы видно, что эта энергия должна быть значительно меньше энергии соответствующего $\gamma$-кванта. Отметим, что в этом рассуждении принималось во внимание только предположение о равенстве масс иротона и нейтрона, а гинотеза о строении последнего сөвсем не использовалась.
5. Чедвик произвел и первое, хотя и недостаточно точное измерение массы нейтрона $m_{n}$. Он исходил из следующих соображений. Если нейтрон претерпевает лобовое столкновение с покоящимся ядром массої $m$, то на основании законов сохранения эпергии и импульса в нерелятивистском приближении можно написать
\[
m_{\mathrm{n}} v_{\mathrm{n} 1}^{2}=m_{\mathrm{n}} v_{\mathrm{n} 2}^{2}+m v^{2}, \quad m_{\mathrm{n}} v_{\mathrm{n} 1}=m_{\mathrm{n}} v_{\mathrm{n} 2}+m v,
\]

где $v_{\mathrm{n} 1}$ и $v_{\mathrm{n} 2}$ – скорости нейтрона до и после столкновения, а $v$ скорость ядра отдачи. Отсюда
\[
v=\frac{2 m_{\mathrm{n}}}{m+m_{\mathrm{n}}} v_{\mathrm{n} 1} \text {. }
\]

Производились измерения максимальных скоростей лдер отдачи в водороде $\left(v_{\mathrm{H}}\right.$ ) и в азоте $\left(v_{\mathrm{N}}\right)$. Максимум скорости ядер отдати свидетельствовал о том, что в обоих случаях скорості нейтронов были одинаковы, а именно максимальны. Поэтому, полагал в предыдущем уравненип сначала $m=m_{\mathrm{II}}$, а затем $m=m_{\mathrm{N}}$, почленным делением получаем

Из своих измерений Чедвик нашел, что наиболее вероятные максимальные скорости отдачи ядер водорода (протонов) и азота равны $v_{\mathrm{HI}}=3,3 \cdot 10^{9} \mathrm{cм} / \mathrm{c}$ п $v_{\mathrm{N}}=4,7 \cdot 10^{8} \mathrm{cм} / \mathrm{c}$. Пользуясь этил ми значениями и полагая $m_{\mathrm{N}} / m_{\mathrm{H}}=14$, из предыдуцего соотношения ваходим $m_{\mathrm{n}} / m_{\mathrm{H}}=1,15$. Учитывая довольно большую ошибку метода, Чедвик заключил, что $m_{\mathrm{n}}=m_{\text {II }}$, т. е. масса нейтрона равпа массе протона $m_{\mathrm{p}}$. Точное знатение массы неӥтрона $m_{\mathrm{n}}=$ $=(939,5731 \pm 0,0027)$ МэВ было получено из баланса масс различных ядерных реакциї с участием нейтронов. Масса нейтрона оттичается от массы протона $m_{\mathrm{p}}=(938,2796 \pm 0,0027) \mathrm{M}$ В на $m_{\mathrm{n}}-m_{\mathrm{p}}=(1,29343 \pm 0,00004) \mathrm{M}$ В.