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

наблюдалась Резерфордом в 1919 г. Протоны в этой реакции регистрировались по сцинтилляциям, вызываемым ими на экране из сернистого цинка. После открытия реакции (92.1) Резерфордом, Чедвиком и др. началось энергичное изучение аналогичных ядерных реакций. Однако до 1931 г. не существовало ускорителей, пригодных для этой цели. Искусственные превращения атомных ядер пытались осуществлять путем облучения их $\alpha$-частицами, особенно наиболее энергичными, испускаемыми ${ }_{84}^{214} \mathrm{Po}$ (радиохимическое обозначение этого изотопа $\mathrm{RaC}^{\prime}$ ). Было установлено, что многие элементы, преимущественно легкие, у которых кулоновский барьер сравнительно невысок, при таком облучении испускали протоны. Однако среди самых легких элементов оказались и такие, например $\mathrm{Be}$ и $\mathrm{Li}$, которые при облучении $\alpha$-частицами протонов не испускали.
2. Был поставлен вопрос, не появляется ли при $\alpha$-облучении различных веществ какое-то новое излучение, которое не дает сцинтилляций на экране из сернистого цинка. Для ответа на этот вопрос Боте (18911957) и Г. Беккер в конце 1930 г. заменили экран из сернистого цинка счетчиком Гейгера. В качестве источника $\alpha$-частиц был взят ${ }_{84}^{218} \mathrm{Po}$, хотя энергия испускаемых им $\alpha$-частиц и не очень велика ( 5,25 МэВ). Такой выбор был сделан потому, что ${ }_{84}^{218}$ Ро испускает 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 свинцовые пластины различной толщины для суждения о поглощении неизвестных лучей, если таковые будут обнаружены.

Опыт действительно показал, что при облучении некоторых веществ (бериллий, бор, литий) возникает какое-то излучение, вызывающее слабые разряды счетчика Гейгера. Особенно сильное излучение давал бериллий. Бериллиевые лучи, как мы будем временно называть неизвестное излучение, оказались весьма проникающими. При прохождении через слой свинца толщиной 2 см интенсивность бериллиевого излучения уменьшалась всего на $13 \%$. На основании этого можно было заключить, что бериллиевые лучи должны состоять из электрически нейтральных частиц, так как заряженные частицы ионизуют среду и поэтому поглощаются значительно сильнее. Из нейтральных же частиц в 1930 г. были известны только фотоны. Поэтому Боте и Беккер вполне естественно предположили, что бериллиевые лучи состоят из $\gamma$-квантов, и притом очень жестких. Однако при более подробных исследованиях это предположение не подтвердилось.

Если бы бериллиевые лучи представляли собой $\gamma$-излучение, то по их поглощению в свинце, например, можно было бы оценить энергию соответствующего $\gamma$-кванта. Таким путем было найдено, что максимальная энергия $\gamma$-кванта должна быть около 7 МэВ. А это не согласовывалось с результатами, найденными из других опытов. Кроме того, поглощение $\gamma$-лучей тем больше, чем больше плотность поглотителя. Для бериллиевых лучей соотношение оказалось обратным.
3. И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри в 1932 г. повторили опыты Боте и Беккера, заменив счетчик Гейгера ионизационной камерой. Помещая между источником бериллиевых лучей и ионизационной камерой листы парафина, они обнаружили, что из парафина исходили протоны, максимальный пробег которых в воздухе достигал 26 см. Такому пробегу соответствовала энергия протона $\mathscr{E} \approx 4,5$ МэВ. Появление протонов отдачи 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 Кюри 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 $\theta$ можно воспользоваться известной формулой
\[
\lambda^{\prime}-\lambda=\frac{h}{m c}(1-\cos \theta),
\]

в которой, однако, $m$ означает массу протона, а не электрона (см. § 3). Максимальное изменение длины волны получается при рассеянии назад, т. е. при $\theta=\pi$. В этом случае $\lambda^{\prime}-\lambda=2 h / m c$. Отсюда находим частоту $
u^{\prime}$, а затем и энергию выбитого протона:
\[
\mathscr{E}=h
u-h
u^{\prime}=\frac{h
u}{1+m c^{2} /(2 h
u)} .
\]

Подставляя сюда $\mathscr{E}=4,5 \mathrm{MэB}, m c^{2}=938 \mathrm{M}$ эВ, вычисляем $h
u=$ $=48 \mathrm{M}$ э. Такова должна быть энергия $\gamma$-квантов, чтобы при их рассеянии получились протоны требуемой энергии. Сами $\gamma$-кванты должны возникать в бериллии под действием $\alpha$-частиц, излучаемых полонием. Так как энергия последних всего 5,25 МэВ, то трудно допустить, чтобы они возбуждали $\gamma$-кванты столь высоких энергий. Кроме того, полученное значение 48 МэВ не согласуется с энергией 7 МэВ тех же $\gamma$-квантов, найденной по их пог.ощению.
4. Наиболее тщательные исследования природы бериллиевого излучения были произведены Чедвиком в 1932 г. Схема его установки принципиально не отличается от той, какой пользовались супруги Кюри. Она изображена на рис. 158. На подложку $D$ наносили слой полония Ро. Альфа-частицы, испускаемые ядрами Ро, вступали в ядерную реакцию $(\alpha, \mathrm{n})$ с ядрами Ве. Нейтроны на пути к ионизационной камере пропускались через 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 энергии протонов из парафина Чедвик получил $\mathscr{E}=5,7$ МэВ. Если бы бериллиевые лучи состояли из $\gamma$-квантов, то при таком значении $\mathscr{E}$ максимальная энергия $\gamma$-кванта получилась бы $h
u=55$ МэВ. Но Чедвик исследовал рассеяние 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 $h
u=90 \mathrm{M}$ э , а в аргоне $h
u=150$ МэВ.
Рис. 158
Итак, гипотеза, отождествлявшая бериллиевые лучи с $\gamma$-квантами, приводила к противоречивым результатам. Для одной и той же величины различные методы давали значения $7,55,90,150$ МэВ. Это доказывало неправильность указанной гипотезы. Однако, как указал Чедвик, все противоречия устраняются, если предположить, что бериллиевые лучи образуются потоком не $\gamma$-квантов, а других нейтральных частии, 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 частице протон и электрон связаны между собой еще более прочно, чем в атоме водорода в основном состоянии. Существование подобной 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 $\gamma$-квантов. 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 нейтрона одна и та же. При лобовом столкновении $\gamma$-кванта с энергией $h
u$ с протоном последний получает импульс $m v=h
u / c$. Отсюда
\[
\frac{m v^{2} / 2}{h
u}=\frac{v}{2 c} .
\]

Но при равенстве масс протона и нейтрона величина $m v^{2} / 2$ равна также энергии нейтрона. 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 протона и нейтрона, а гипотеза о строении последнего совсем не использовалась.
5. Чедвик произвел и первое, хотя и недостаточно точное, измерение массы нейтрона $m_{\mathrm{n}}$. Он исходил из следующих соображений. Если нейтрон претерпевает лобовое столкновение с покоящимся ядром массой $m$, то на основании законов сохранения энергии 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
\[
v=\frac{2 m_{\mathrm{n}}}{m+m_{\mathrm{n}}} v_{\mathrm{n} 1} .
\]

Производились измерения максимальных скоростей ядер отдачи в водороде $\left(v_{\mathrm{H}}\right)$ и в азоте $\left(v_{\mathrm{N}}\right)$. Максимум скорости ядер отдачи свидетельствовал о том, что в обоих случаях скорости нейтронов были одинаковы, а именно максимальны. Поэтому полагая в предыдущем уравнении сначала $m=m_{\mathrm{H}}$, а затем $m=m_{\mathrm{N}}$, почленным делением получаем
\[
\frac{v_{\mathrm{H}}}{v_{\mathrm{N}}}=\frac{m_{\mathrm{N}}+m_{\mathrm{n}}}{m_{\mathrm{H}}+m_{\mathrm{n}}}=\frac{m_{\mathrm{N}} / m_{\mathrm{H}}+m_{\mathrm{n}} / m_{\mathrm{H}}}{1+m_{\mathrm{n}} / m_{\mathrm{H}}} .
\]

Из своих измерений Чедвик нашел, что наиболее вероятные максимальные скорости отдачи ядер водорода (протонов) и азота равны $v_{\mathrm{H}}=3,3 \cdot 10^{9} \mathrm{~cm} /$ с и $v_{\mathrm{N}}=4,7 \cdot 10^{8} \mathrm{~cm} / \mathrm{c}$. Пользуясь этими значениями и полагая $m_{\mathrm{N}} / m_{\mathrm{H}}=14$, из предыдущего соотношения находим $m_{\mathrm{n}} / m_{\mathrm{H}}=1,15$. Учитывая довольно большую ошибку метода, Чедвик заключил, что $m_{\mathrm{H}}=m_{\mathrm{n}}$, т. е. масса нейтрона равна массе протона $m_{\mathrm{p}}$. Точное значение массы нейтрона $m_{\mathrm{n}}=(939,5731 \pm 0,0027)$ МэВ было получено из баланса масс различных ядерных реакций с участием нейтронов. Масса нейтрона отличается от массы протона $m_{\mathrm{p}}=$ $=(938,2796 \pm 0,0027)$ МэВ на $m_{\mathrm{n}}-m_{\mathrm{p}}=(1,29343 \pm 0,00004)$ МэВ.