5.4.1 Первая ядерная реакция

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры (рисунок 21.), в которой был расположен контейнер К с источником α- частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф,

толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц.

Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу, которая практически полностью задерживающую поток α- частиц. Отодвигая экран от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном.

Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α- частицы выбивают H-частицы или протоны.

Результат этого опыта Резерфорд объяснил следующим образом. При соударении α- частиц с ядром азота, она поглощается им, образуя промежуточное ядро изотопа фтора (первый этап ядерной реакции), которое неустойчиво и самопроизвольно распадается, выбрасывая протон. В итоге возникает устойчивое ядро кислорода (второй этап реакции). Итоговая ядерная реакция, записывается так:

5.4.2 Ядерные реакции под действием α- частиц

Опыт Резерфорда, описанный в предыдущем разделе доказывает высвобождение протонов при воздействии на ядра α-частицами.

В опытах Дж. Чедвика в камере Вильсона наблюдались треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Реакции, наблюдаемые в этом эксперименте описывают следующим образом:

₄Be⁹ + ₂He⁴  ₆C¹³  ₆C¹² + ₀n¹.

В результате большого числа экспериментов по действию α-частиц на различные химические вещества был сделан вывод, что в таких ядерных реакциях одним из продуктов ядерного превращения являются протоны или нейтроны.