کشف نوترون

 در سال 1920 راردرفورد اظهار داشت که پروتونِ درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره ی فرضی نام نوترون را پیشنهاد کرد. فیزیکدانها در جستجوی نوترون برآمدند، لیکن تحقیق آنها دست کم با دو مشکل مواجه بود: 

1- آنان نمی توانستند ماده ای طبیعی بیابند که از خود نوترون گسیل یا تابش نماید (مثل مواد پرتوزا که ذرات آلفا یا همان پروتون ها را تابش می کند)

 2- روشهایی که برای آشکار سازی ذرات اتمی به کار برده می شد، همگی به آثار بار الکتریکیِ ذرات بستگی داشت و به طور مستقیم درباره ی ذرات خنثی بکار نمی آمد. از این رو تا سال 1932، تحقیق درباره ی یافتن نوترون ناموفق ماند.

اثبات وجود نوترونها، در سال 1932، در راس یک سری آزمایشهای فیزیکدانهای کشورهای مختلف قرار گرفت. 

قبل از آن در سال 1930، گ. بث و نیز ه. بکر در آلمان دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شود، تابشهایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از همان پرتوهای گاما هستند، دست کم از این لحاظ که پرتوهای گاما بار الکتریکی ندارند. به ویژه بریلیم اثر مشخصی از این نوع داشت. مشاهدات فیزیکدان ها در آلمان، فرانسه و ... نشان می داد که تابش حاصل از بریلیم، نفوذی بیشتر (مثلا" در سرب) از هر گونه تابش گاما که تا آن زمان شناخته شده بود، دارد و انرژی آن در حدود 10 مگا ولت است. بنابراین تابش مذکور بسیار پر انرژیتر از پرتوهای گاما که قبلا" مشاهده شده بودند، بود و به همین دلیل مورد توجه واقع شد. 

در میان انان که درباره ی این تابش به پژوهش پرداختند فیزیکدانان فرانسوی ژولیو و همسر او ایرن کوری _دختر کوری های دانشمند- بودند. آنان به بررسی این تابش مرموز در پارافین پرداختند. پارافین ماده ای است که پر از هیدروژن است. ژولیو و همسرش در جریان آزمایشهای خود دریافتند که تابش حاصل از بریلیم که گفتیم 10MEV انرژی دارد، پروتون هایی بیرون می اندازد که تنها 5MEV انرژی دارد. و این با قوانین پایستگی جرم و انرژی که تا آن زمان مشخص شده بود، تناقض داشت. و فیزیکدانها به دنبال فرضیه ی دیگری برای ماهیت این تابش ها پرداختند. چنانچه تابش ناشناخته گاما باشد، یعنی از فوتون (و نه ذره) های پر انرژی تشکیل شده باشد، باید همه ی انرژی خود را در اثر برخورد منتقل می کرد. 

فیزیکدان انگلیسی، جیمز چادویک، نتایج پیچیده ی مشابهی ، در جریان انجام واکنش های هسته ای، برای پس زنیِ هسته های چند عنصر سبک از جمله هلیم، لیتیم، کربن ، نیتروزن و آرگون به دست اورد. در سال 1932، چادویک فرضیه ی موفقیت آمیزی درباره ی ماهیت تابش مذکور طرح کرد. چادویک در رساله ی کامل خود تحت عنوان "وجود نوترون" می گوید: 

اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر، تابش کوانتومی یا همان پرتوهای گاما نیست، بلکه مرکب از ذراتی است که جرمشان بسیار نزدیک به جرم پروتون است، تمام اشکالات مربوط به برخورد (که قوانین پایستگی جرم و انرژی را نقض می کرد، از بین می رود. هم در مورد فرکانس آنها و هم درمورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار موثری ندارند. باید فرض کنیم که هر یک از ذرات این تابش مرموز، از ترکیب نزدیک به همی از یک پروتون و یک الکترون است و همان "نوترونی" است که راردرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داده بود. 

درواقع این ذرات کلاسیک و بزرگ (ونه فوتون) هستند که در اثر برخورد کل انرژی خود را منتقل نمی کنند. و نوترون های دارای 10MEV در اثر برخورد با پروتون هایی که دارای جرم مساوی خود هستند، تنها 5MEVاز انرژی را منتقل می کنند و بقیه صرف جابجایی جرم ها می شود. 

مانند دو توپ بیلیارد که وقتی این دو توپ که دارای جرم های کاملا" یکسان هستند، با هم رودررو برخورد می کنند، تمام انرژی انها به هم منتقل می شود، اما وقتی برخورد انها رو در رو نباشد ، انرژی جنبشی کمتری منتقل می شود و در مورد این پرتابها نیز دقیقا" همین اتفاق می افتد. بنابراین به طور متوسط، انرژی جنبش حدود 5 مگا ولت برای پروتون های پس زده شده که از برخورد با پروتون های دارای انرژی حدود 10 مگا ولت تولید می شود، مقدار درستی خواهد بود، درصورتی که جرم های پروتون و نوترون برابر باشد. چادویک با استفاده از قوانین پایستگی و محاسبات زیادی دریافت که جرم نوترون کمی از جرم پروتون بیشتر و برابر 1/6 AMU است. مشکلات اندازه گیری انرژی جنبشی هسته های پس زده موجب شد که این فقط مقدار تقریبی باشد. لیکن به اندازه کافی دقیق بود تا نشان دهد نوترون جرمی نزدیک به جرم پروتون دارد.

 در سال 1919 پس از آن که رادرفورد پروتون را کشف کرد ثابت شد که هیدروژن (H) شامل 1 پروتون و هلیم (He) شامل 2 پروتون است پس نسبت جرمی هلیم به هیدروژن باید 2 به 1 باشد در صورتی که این نسبت 4 به 1 است. از طرف دیگر در همین سال رادرفورد دریافت که وقتی گاز نیتروژن با ذرات α (alpha particles) حاصل از 214Bi بمباران می ‌شود، ذرات سریعی تولید می گردد که می ‌تواند بیشتر از خود ذرات α بیسموت (Bi) در گاز سیر کند. رادرفورد نتیجه گرفت که یک ذره α می ‌تواند موجب فروپاشی مصنوعی هسته نیتروژن شود که یکی از محصولات فروپاشی آن پروتون می باشد. البته این فرآیند به آسانی صورت نمی ‌گیرد. نتایج تجربی نشان داد که تقریباً از هر یک میلیون ذره α که از میان گاز عبور می ‌کند فقط یک پروتون تولید می ‌شود.

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده که یک ذره خنثی ایجاد کرده است. (هم زمان با رادرفورد، مازون از استرالیا و هارکینس از امریکا وجود ذره ای به نام نوترون را اعلام کردند.) رادرفورد حتی برای این ذره فرضی و خنثی، نام نوترون را پیشنهاد کرد. تحقیق برای یافتن نوترون تا سال 1932 به دو دلیل ناموفق ماند، نخست آنکه دانشمندان نمی توانستند ماده ای 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. (نوترون ها فلوئورسانس ایجاد نمی کنند، در صفحات حساس عکاسی تصاویری ایجاد نمی نمایند، در اتاقک ابری ردی ایجاد نمی کنند، باعث یونیزاسیون در لوله گایگر نمی شوند.)

در سال 1930 دو فیزیکدان آلمانی (بت و بکر) دریافتند که وقتی نمونه‌هایی از لیتیم (Li)، بور (B) یا بریلیم (Be) با ذرات α پولونیم (Po) بمباران شوند، تابش هایی ضعیف اما با نفوذ از آن ها گسیل می شود که در آن زمان به نظر می ‌رسید از جنس پرتو ‌های γ (gamma rays) هستند؛ دست کم از این لحاظ که مانند پرتوهای γ بار الکتریکی ندارند. (پرتو های γ امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاه و فرکانس بالا هستند.)

فردریک ژولیو و ایرن کوری به بررسی جذب تابش مذکور در پارافین پرداختند. (پارافین ماده ی غنی از هیدروژن است.) آن ها دریافتند که تابش حاصل از بریلیم وقتی به پارافین برخورد می کند، تعداد زیادی هسته ی هیدروژن (پروتون) از پارافین می راند. در نظر اول این امر خیلی عجیب نیست، پرتو های ایکس (x-ray) می توانند در برخورد های کامپتون به الکترون انرژی بدهند و دلیلی وجود ندارد که پرتو های γ با طول موج کوتاه تر نتوانند به پروتون ها در فرآیندی مشابه انرژی دهند. از طرفی در واکنش یک ذره α و یک هسته بریلیوم که تولید یک هسته کربن می کند کاهش جرمی 0.01144 amu را منجر می شود.

4He2+  +  9Be  →  12C  +  1n

الف_ ذرات α فرودی بر ورقه بریلیم سبب گسیل تابش با نفوذی می شود که از ورقه سرب (Pb) به ضخامت چند سانتی متر می گذرد.

ب_ هنگامی که تابش به یک تکه پارافین برخورد می کند، پروتون ها تا انرژی 5.7 MeV  (mega-electronvolt)به بیرون پرتاب می شود.

ج_ اگر تابش از پرتو γ تشکیل شده باشد، انرژی های آن ها باید حداقل 55 MeV  باشد.

د_ اگر تابش از ذرات خنثی به جرم تقریبی پروتون باشد، نیازی نیست که انرژی های آن ها از 5.7 MeV  تجاوز کند.

در حقیقت چادویک با تکرار آزمایش های بت و بکر و از تحلیل انرژی های پس زنی مشاهده شده هسته های نیتروژن و مطالعه ی انرژی پروتون های رانده شده، 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 α بمباران شود، واکنش هسته ای صورت می گیرد و نوترون تولید می ‌شود.

در سال 1932 چادویک فرض کرد که ذرات حاصل از تابش α بر بور (B)، 15N و γ نیست، بلکه 14N و نوترون است و در رساله خود تحت عنوان «وجود نوترون» اظهار می کند: «اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر تابش کوانتومی (پرتو γ) نیست، بلکه مرکب از ذره‌هایی است با جرم بسیار نزدیک به جرم پروتون به طوری که وقتی به پروتون برخورد می کند انتقال انرژی کامل صورت می گیرد، تمام اشکالات مربوط به برخورد از میان می ‌رود، هم در مورد فرکانس آن ها و هم در مورد انتقال انرژی به جرم های متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار مؤثری ندارند در حالی که ذرات باردار ضمن نفوذ در محیط مادی با میدان هسته ها برخورد می کنند و یک ذره بدون بار فقط موقعی با هسته ها برخورد می کند که تحت تأثیر نیروی هسته ای با بُرد کوتاه قرار گیرد. باید فرض کنیم که هر یک از آن ها ترکیب نزدیک به همی از یک پرتون و یک الکترون است و همان نوترونی است که رادرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.»

وقتی نوترون ها به درون پارافین راه می یابند، گاه و بی گاه با هسته های هیدروژن برخوردهای مستقیم (رو در رو) (شاخ به شاخ) (سر به سر) پیدا می کنند و به دلیل یونشی که ایجاد می کنند پروتون هایی پس زده مشاهده می شود. جرم آن ها، علت پس زنی پروتون ها را به خوبی توضیح می دهد. پروتون و نوترون پس از بر خورد در یک راستا حرکت می کنند پس می توان جرم، سرعت، انرژی جنبشی و اندازه حرکت ذره اول را به ترتیب P1 , Ek1 , v1 , m1 فرض کنیم پس انرژی جنبشی آن Ek1 = ½ m1 v12 و اندازه حرکت آن P1 = m1 v1 می شود که برای سهولت به صورت P1 = (2m1Ek1)½ می نویسیم. پس از برخورد مؤلفه های ذره اول به E'k1 , v'1 , P'1 تغییر می یابند. فرض می کنیم هسته هدف دارای m2 است و در حالت سکون است به طوری که Ek2 = v2 = P2 = 0 پس از برخورد این مقادیر  E'k2 , v'2 , P'2 می شوند. چون این برخورد الاستیک (کشسان) است انرژی جنبشی ثابت می ماند و:

E'k1 = Ek1 - E'k2   یا   Ek1 = E'k1 + E'k2

چون برخورد خطی (مستقیم) است اندازه حرکت را می توان به طور جبری جمع کرد و داریم:

P1 = P'1 + P'2   یا   (2m1Ek1)½ = (2m1E'k1)½ + (2m2E'k2)½

یکی از کمیت های معادله بالا را می توان حذف کرد و ما E'k1 را حذف می کنیم زیرا اندازه گیری آن مشکل است پس داریم:

(2m1Ek1)½ = [2m1(Ek1 - E'k2)]½ + (2m2E'k2)½

پس از مجذور کردن (به توان 2 رساندن)  و تقسیم نمودن طرفین بر 2 رابطه زیر بدست می آید:

m1Ek1 = m1Ek1 - m1Ek1 + m1Ek1 + 2[m1m2(Ek1 - E'k2)E'k2]½

پس از ساده کردن، انتقال به طرف دیگر معادله و مجذور مجدد و تقسیم نمودن بر E'k2 رابطه زیر بدست می آید:

(m12 – 2m1m2 + m12)E'k2 = 4m1m2Ek1 – 4m1m2E'k2

پس از منظم کردن رابطه داریم:

(m1 + m2)2E'k2 = 4m1m2Ek1

با قرار دادن E'k2 از معادله جمع انرژی های جنبشی در معادله بالا E'k1 برحسب Ek1 بدست می آید و لذا:

E'k1 = [ (m1 - m2) ÷ (m1 + m2) ]2 Ek1

این رابطه نشان می دهد E'k1 در حالت m1 = m2 برابر صفر می شود به طوری که در این شرایط Ek1 = E'k2 است و تمام انرژی ذره تابشی به هسته هدف منتقل می گردد. اکنون برخورد هسته هیدروژن و هسته نیتروژن (ازت) را در نظر می گیریم. چون انرژی جنبشی حرارتی هسته ها نسبتاً ناچیز است هسته های هدف را ساکن فرض می کنیم. اگر جرم پروتون m2 = 1 amu و E'k2 = 4.7 MeV باشد می توان معادله را به صورت زیر نوشت:

4.7 = (4m1 × 1 Ek1) ÷ (m1 + 1)2

در حالی که اگر جرم هسته نیتروژن m2 = 14 amu و E'k2 = 1.2 MeV باشد داریم:

1.2 = (4m1 × 14 Ek1) ÷ (m1 + 14)2

از حل دستگاه معادلات بالا (به روش 2 معادله 2 مجهول) مقدار  m1 = 1.03 amu و Ek1 = 4.7 MeV بدست می آید.

بنابراین جیمز چادویک پیشنهاد کرد تابش نافذ پرتو γ نبوده بلکه ذرات بدون بار با جرم حدود 1 amu هستند. چنین ذره ای باید انرژی خود را بهتر از فتون ها (photon) به هسته های دیگر انتقال دهد و پروتون ها و هسته های نیتروژن پرتاب شده دارای انرژی های معقولی خواهند بود، بر عکس پیشنهاد پیچیده پروتون _ گاما که انرژی های بسیار زیاد متضادی را پیش بینی می کرد. چادویک مجدداً به بررسی واکنش های هسته ای دیگر پرداخت تا این که بتواند نظریه خود را اثبات کرده جرم نوترون را با تخمین بیشتری تعیین کند. در مورد بور معادله واکنش به صورت مقابل فرض می شد:

4He  +  11B  →  15N  →  14N  +  1n

برای استفاده از اصل بقای جرم و انرژی او می بایست انرژی ذرات را داشته باشد. انرژی جنبشی ذره α معلوم و معادل 0.00565 amu بود. بور را ساکن فرض می کردند. برای آشکار سازی نوترون از برخورد نوترون با پروتون استفاده می شد. بُرد ذره پروتون نشان می داد که انرژی معادل جرم آن 0.0035 amu است و چون جرم نوترون و پروتون مساوی است لذا چادویک انرژی نوترون را برابر انرژی پروتون در نظر گرفت. هسته 15N ضمن برگشت نوترون تابش کرده به صورت 14N در می آید.

بر طبق اصل بقای اندازه حرکت داریم:

(2mαEkα)½ = (2mNE'kN)½ + (2mnE'kn)½

در این رابطه تمام مقادیر به جز انرژی جنبشی نیتروژن مشخص هستند که پس از محاسبه برابر 0.00061 amu بدست می آید. جرم ایزوتوپی هلیم، بور و نیتروژن در آن زمان به ترتیب 4.00106 و 11.00825 و 14.0042 واحد جرم اتمی بدست آمده بود. چادویک رابطه کامل جرم و انرژی را به صورت زیر نوشت:

4He  +  Ekα  +  11B  =  14N  +  EkN  +  1n  +  Ekn

تمام مقادیر به جز جرم نوترون معلوم است. پس از قرار دادن مقادیر مربوطه داریم:

4.00106 + 0.00565 + 11.00825 = 14.0042 + 0.00061 + n + 0.0035

چادویک از حل معادله بالا مقدار جرم نوترون را برابر 1.0067 amu به دست آورد.

کشف نوترون نظر رادرفورد را مبنی بر اینکه هسته اتم از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأیید کرد. این فرضیه بعد از مدتی کوتاه به وسیله‌ هایزنبرگ به عنوان مبنای یک تئوری هسته‌ای مفصل تر قرار گرفت. 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 آن ها و برهم کنش آن ها با هسته های اتمی و با ماده ی توده ای سروکار دارد. این پژوهش ها به کشف شکافت هسته ای (nuclear fission) انجامید و در 1950 پی بردند که نوترون آزاد رادیو اکتیو است، نیمه عمر آن 12 min می باشد و به یک پروتون و یک الکترون و یک نوترینو تجزیه می شود.