После того, как было открыто, что вещества состоят из молекул, а те в свою очередь - из атомов, перед учёными-физиками встал новый вопрос. Необходимо было установить структуру атомов - из чего же состоят они. За решение этой непростой задачи взялись и его ученики. Открытие протона и нейтрона ими состоялось в начале прошлого века

У Э. Резерфорда уже были предположения относительно того, что атом состоит из ядра и обращающихся вокруг него на огромной скорости электронов. Но из чего состоит ядро атома, было не совсем понятно. Э. Резерфорд предложил гипотезу о том, что в составе атомного ядра любого химического элемента должно быть ядро

Позже была доказана серией экспериментов, в результате которых было совершено открытие протона. Суть экспериментальных опытов Э. Резерфорда состояла в том, что атомы азота подвергались бомбардировке альфа-излучением, с помощью которого некоторые частицы выбивались из атомного ядра азота.

Этот процесс фиксировался на светочувствительной плёнке. Однако свечение было таким слабым, а чувствительность плёнки была также невелика, поэтому Э. Резерфорд предложил своим ученикам, прежде чем приступать к опыту, несколько часов кряду находиться в темной комнате, чтобы глаза могли рассмотреть едва заметные световые сигналы.

В этом эксперименте по характерным световым следам было определено, что частицы, которые были выбиты, являлись ядрами атомов водорода и кислорода. Гипотеза Э. Резерфорда, которая привела его к тому, что было совершено открытие протона, нашла своё блестящее подтверждение.

Эту частицу Э. Резерфорд предложил назвать протоном (в переводе с греческого языка «протос» означает первый). При этом надо понимать это так, что атомное ядро водорода имеет такую структуру, что в ней присутствует только один протон. Так было совершено открытие протона.

Электрический заряд он имеет положительный. При этом количественно он равняется заряду электрона, только знак имеет противоположный. То есть, получается, что протон и электрон как бы друг друга уравновешивают. Поэтому все предметы, поскольку они состоят из атомов, первоначально не заряжены, а электрический заряд они получают тогда, когда на них начинает действовать электрическое поле. В структуре атомных ядер различных химических элементов может находиться большее количество протонов, чем в атомном ядре водорода.

После того, как было совершено открытие протона, ученые начали понимать, что ядро атома химического элемента состоит не только из протонов, так как, проводя физические эксперименты с ядрами атома бериллия, обнаружили, что в ядре составляла четыре единицы, в то время как в целом масса ядра - девять единиц. Логично было предположить, что ещё пять единиц массы принадлежит каким-то неизвестным частицам, не имеющим электрического заряда, так как в противном случае электронно-протонный баланс был бы нарушен.

Ученик Э. Резерфорда, провел эксперименты и смог обнаружить элементарные частицы, которые вылетали из атомного ядра бериллия, когда их бомбардировали альфа-излучением. Выяснилось, что они не имеют никакого электрического заряда. Обнаружено было отсутствие заряда вследствие того, что эти частицы не реагировали на Тогда стало понятно, что обнаружен недостающий элемент структуры атомного ядра.

Эту открытую Д. Чедвиком частицу назвали нейтроном. Выяснилось, что он имеет такую же массу, как у протона, но, как уже было сказано, не имеет никакого электрического заряда.

Кроме того, было подтверждено экспериментально, что количество протонов и нейтронов равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе.

Во Вселенной можно наблюдать такие объекты, как нейтронные звёзды, которые являются нередко конечным этапом эволюции звёзд. Такие нейтронные звёзды отличаются очень высокой плотностью.

Тема сегодняшнего занятия - «Открытие протона. Открытие нейтрона». На нём мы узнаем, как произошло одно из великих открытий ХХ века. Эти две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра, протон и нейтрон были открыты соответственно Резерфордом в 1919 г. и Чедвиком в 1932 г. Они опытным путем смогли установить и доказать, что эти две частицы входят в состав любого ядра.

Удивительная история случилась в самом начале ХХ века. Именно тогда были открыты две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра химических элементов - протон и нейтрон.

Протон

Начнем по порядку - с протона. Как известно, был открыт в 1919 г. Э. Резерфордом. Мы знаем, что в 1911 г. уже состоялся опыт Резерфорда по определению строения атома. А в 1913 г., т.е. через 2 года после своего знаменитого эксперимента, Резерфорд выдвинул очень важную идею. Он предложил считать, что в состав любого ядра, т.е. всех химических элементов, в ядре любого химического элемента находится водород. На чем основывались его такие размышления?

Уже был определены характеристики ядер водорода. Была известна масса, был известен заряд ядра водорода. Оказалось, что массы химических элементов делятся на массу водорода без остатка. Таким образом, Резерфорд сделал заявление, что, по всей вероятности, внутри любого ядра находится то или иное количество атомов водорода.

Но любая теория должна подтверждаться обязательно экспериментом. Такой эксперимент состоялся в 1919 г., именно тогда и был открыт протон. В своем эксперименте Резерфорд использовал a-частицы. Их Резерфорд направил на ядра азота. В результате этого эксперимента были получены два каких-то химических элемента. Один из них был отождествлен - кислород, а второй, по всей вероятности, являлся водородом. Обращаю ваше внимание: уверенности здесь не было. Почему?

Резерфорд использовал в своем эксперименте метод, о котором мы уже говорили на предыдущем уроке, - метод сцинтилляций, когда попадающая частица дает вспышку. По результатам таких экспериментов он судил о том, что там есть какая-то частица, соответствующая атому ядра водорода.

Рис.1. Результат бомбардировки a-частицами ядер азота: образовались кислород и частица, тождественная ядру водорода

Эту частицу, ядро водорода, он назвал протоном (от греч. «протос» - «первый»). Когда этот эксперимент повторили, но уже в камере Вильсона, причем эта камера находилась в магнитном поле, то уже не было никаких сомнений: открыта новая частица - протон. Итак, является ядром атома водорода. Давайте посмотрим на эту первую искусственную ядерную реакцию.

Ставится буква Р, внизу отмечается порядковый номер 1, как у водорода. И массовое число ставится 1, т.е. по оценке уже тогда, когда были проведены исследования в камере Вильсона, ясно стало, что масса протона приблизительно соответствует 1 атомной массе.

Обратите внимание на реакцию. Реакция происходила следующим образом:

Азот, порядковый номер 7 и массовое число 14, обстреливался a-частицами. Мы знаем, что a-частицы - это ядра атома гелия с порядковым номером 2 и с массовым числом 4. В результате такой реакции образовались два новых ядра. Два совершенно новых элемента.

Первое ядро - это ядро, соответствующее атому кислорода, с порядковым номером 8 и массовым числом 17. И та частица, ядро атома водорода, которое мы теперь можем смело назвать протоном.

Итак, ядро атома водорода и протон - это одно и то же, были открыты в 1919 г. по сути своей в опытах Резерфорда.

Нейтрон

Следующий этап в развитии строения ядра атома был связан с именем Чедвика. Это ученик Резерфорда. Именно ему удалось в 1932 г. открыть нейтрон. Обнаружить нейтрон было гораздо сложнее, ведь - электрически нейтральная частица, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немецких ученых, Боте и Беккер, в результате опытов обнаружили, что при облучении a-частицами бериллия образуется какое-то неизвестное излучение.

После открытия Резерфордом протона, многие ученые направили свои помыслы и силы на то, чтобы провести ядерные реакции, искусственные ядерные реакции. При помощи a-лучей стали облучать многие элементы, наблюдая за реакцией. Вот и немецкие ученые в 1930 г., облучая бериллий, получили неизвестное излучение. Вначале это излучение решили отождествить с g-лучами. Они распространялись вдоль прямой, не отклонялись в электрическом и магнитном полях, обладали большой энергией и высокой проникающей способностью.

В дальнейшем при изучении других реакций стало ясно, что такие же лучи образуются, когда a-лучами обстреливают бор и некоторые другие химические элементы. Сравнивая химические элементы, полученные в результате такого рода реакций, поняли, что данные лучи не являются никакими лучами (g-лучами уж точно не являются, поскольку обладают более высокой проникающей способностью энергией по сравнению с g-лучами).

Рис. 2. Джеймс Чедвик

В 1932 г. Чедвик предположил, что это какая-то новая частица, которая не обладает электрическим зарядом. Именно этим объясняются все ее свойства: она хорошо проникает через преграды, потому что не взаимодействует с ядрами. Такую новую частицу назвали нейтрон (т.к. он электрически нейтрален).

Давайте посмотрим на обозначения этой частицы и обсудим ее свойства. Обозначение нейтрона следующее:

Поскольку у нейтрона нет заряда, то 0 ставится внизу, где пишется зарядовое число, а вот массовое число у него равно 1. Масса нейтрона почти равна, но чуть больше массы протона. Поэтому тоже было решено ставить в массовом обозначении число, равное 1.

Теперь можно смело говорить о том, что нейтрон и протон составляют ядро атома. Но о том, какова модель ядра атома, что она собой представляет, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

1. Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
2. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
4. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука, 1965

Задание к уроку

Тема сегодняшнего занятия - «Открытие протона. Открытие нейтрона». На нём мы узнаем, как произошло одно из великих открытий ХХ века. Эти две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра, протон и нейтрон были открыты соответственно Резерфордом в 1919 г. и Чедвиком в 1932 г. Они опытным путем смогли установить и доказать, что эти две частицы входят в состав любого ядра.

Удивительная история случилась в самом начале ХХ века. Именно тогда были открыты две важнейшие частицы, из которых состоят все ядра химических элементов - протон и нейтрон.

Протон

Начнем по порядку - с протона. Как известно, был открыт в 1919 г. Э. Резерфордом. Мы знаем, что в 1911 г. уже состоялся опыт Резерфорда по определению строения атома. А в 1913 г., т.е. через 2 года после своего знаменитого эксперимента, Резерфорд выдвинул очень важную идею. Он предложил считать, что в состав любого ядра, т.е. всех химических элементов, в ядре любого химического элемента находится водород. На чем основывались его такие размышления?

Уже был определены характеристики ядер водорода. Была известна масса, был известен заряд ядра водорода. Оказалось, что массы химических элементов делятся на массу водорода без остатка. Таким образом, Резерфорд сделал заявление, что, по всей вероятности, внутри любого ядра находится то или иное количество атомов водорода.

Но любая теория должна подтверждаться обязательно экспериментом. Такой эксперимент состоялся в 1919 г., именно тогда и был открыт протон. В своем эксперименте Резерфорд использовал a-частицы. Их Резерфорд направил на ядра азота. В результате этого эксперимента были получены два каких-то химических элемента. Один из них был отождествлен - кислород, а второй, по всей вероятности, являлся водородом. Обращаю ваше внимание: уверенности здесь не было. Почему?

Резерфорд использовал в своем эксперименте метод, о котором мы уже говорили на предыдущем уроке, - метод сцинтилляций, когда попадающая частица дает вспышку. По результатам таких экспериментов он судил о том, что там есть какая-то частица, соответствующая атому ядра водорода.

Рис.1. Результат бомбардировки a-частицами ядер азота: образовались кислород и частица, тождественная ядру водорода

Эту частицу, ядро водорода, он назвал протоном (от греч. «протос» - «первый»). Когда этот эксперимент повторили, но уже в камере Вильсона, причем эта камера находилась в магнитном поле, то уже не было никаких сомнений: открыта новая частица - протон. Итак, является ядром атома водорода. Давайте посмотрим на эту первую искусственную ядерную реакцию.

Ставится буква Р, внизу отмечается порядковый номер 1, как у водорода. И массовое число ставится 1, т.е. по оценке уже тогда, когда были проведены исследования в камере Вильсона, ясно стало, что масса протона приблизительно соответствует 1 атомной массе.

Обратите внимание на реакцию. Реакция происходила следующим образом:

Азот, порядковый номер 7 и массовое число 14, обстреливался a-частицами. Мы знаем, что a-частицы - это ядра атома гелия с порядковым номером 2 и с массовым числом 4. В результате такой реакции образовались два новых ядра. Два совершенно новых элемента.

Первое ядро - это ядро, соответствующее атому кислорода, с порядковым номером 8 и массовым числом 17. И та частица, ядро атома водорода, которое мы теперь можем смело назвать протоном.

Итак, ядро атома водорода и протон - это одно и то же, были открыты в 1919 г. по сути своей в опытах Резерфорда.

Нейтрон

Следующий этап в развитии строения ядра атома был связан с именем Чедвика. Это ученик Резерфорда. Именно ему удалось в 1932 г. открыть нейтрон. Обнаружить нейтрон было гораздо сложнее, ведь - электрически нейтральная частица, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немецких ученых, Боте и Беккер, в результате опытов обнаружили, что при облучении a-частицами бериллия образуется какое-то неизвестное излучение.

После открытия Резерфордом протона, многие ученые направили свои помыслы и силы на то, чтобы провести ядерные реакции, искусственные ядерные реакции. При помощи a-лучей стали облучать многие элементы, наблюдая за реакцией. Вот и немецкие ученые в 1930 г., облучая бериллий, получили неизвестное излучение. Вначале это излучение решили отождествить с g-лучами. Они распространялись вдоль прямой, не отклонялись в электрическом и магнитном полях, обладали большой энергией и высокой проникающей способностью.

В дальнейшем при изучении других реакций стало ясно, что такие же лучи образуются, когда a-лучами обстреливают бор и некоторые другие химические элементы. Сравнивая химические элементы, полученные в результате такого рода реакций, поняли, что данные лучи не являются никакими лучами (g-лучами уж точно не являются, поскольку обладают более высокой проникающей способностью энергией по сравнению с g-лучами).

Рис. 2. Джеймс Чедвик

В 1932 г. Чедвик предположил, что это какая-то новая частица, которая не обладает электрическим зарядом. Именно этим объясняются все ее свойства: она хорошо проникает через преграды, потому что не взаимодействует с ядрами. Такую новую частицу назвали нейтрон (т.к. он электрически нейтрален).

Давайте посмотрим на обозначения этой частицы и обсудим ее свойства. Обозначение нейтрона следующее:

Поскольку у нейтрона нет заряда, то 0 ставится внизу, где пишется зарядовое число, а вот массовое число у него равно 1. Масса нейтрона почти равна, но чуть больше массы протона. Поэтому тоже было решено ставить в массовом обозначении число, равное 1.

Теперь можно смело говорить о том, что нейтрон и протон составляют ядро атома. Но о том, какова модель ядра атома, что она собой представляет, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

1. Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
2. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
4. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
6. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука, 1965

Задание к уроку

В начале XXвека, когда уже было установлено, что молекулы состоят из атомов, встал новый вопрос. Из чего же состоят атомы? Английский ученый Резерфорд и группа его учеников взялись решить эту непростую задачу.

Ядро атома водорода в ядре любого вещества

Уже было известно, что сам атом состоит из ядра и вращающегося вокруг него на большой скорости электрона. Но вот из чего состоит ядро? Резерфорд предполагал, что в состав ядра атома любого химического элемента обязательно входит ядро атома водорода.

Позже это удалось доказать серией экспериментов. Суть экспериментов заключалась в следующем: атомы азота бомбардировались альфа-излучениями. Это приводило к тому, что периодически альфа-излучения выбивали из ядра атома азота некоторые частицы.

Весь этот процесс запечатлевался на светочувствительной пленке. Однако, все равно свечение было так слабо, что Резерфорд и его ученики, прежде чем приниматься за опыт, около 8 часов сидели в абсолютно темной комнате, чтобы глаз мог разглядеть мельчайшие световые сигналы.

По характеру световых следов было установлено, что выбитые частицы это ядра атомов кислорода и водорода. Таким образом, подтвердилось предположение Резерфорда о том, что ядро атома водорода входит в состав ядра атома любого химического элемента.

Открытие протона

Данную частицу Резерфорд назвал протоном. От греческого «протос» - первый. Следует понимать, что не протон является ядром атома водорода, а наоборот, ядро атома водорода имеет такое строение, что в него входит всего один протон.

В состав ядер атомов других химических элементов может входить гораздо большее число протонов. Протон имеет положительный электрический заряд. При этом заряд протона равен заряду электрона, вот только имеет другой знак.

Таким образом, протон и электрон как бы уравновешивают друг друга. Поэтому все предметы изначально никак не заряжены, и приобретают заряд только при попадании в электрическое поле.

Открытие нейтрона

После открытия протона ученые понимали, что ядро состоит не только из протонов, поскольку на примере ядра атома бериллия выяснилось, то суммарная масса протонов в ядре 4 единицы массы, тогда как масса ядра в целом 9 единиц массы.

То есть еще 5 единиц массы принадлежат каким-то другим частицам, которые к тому же не имеют электрического заряда, поскольку иначе протонно-электронный баланс был бы нарушен.

Ученик Резерфорда Чедвик провел серию опытов и обнаружил частицы, вылетающие из ядра атома бериллия при бомбардировке альфа-излучениями, но не имеющими никакого заряда.

Отсутствие заряда было констатировано по тому факту, что частицы никак не реагировали на электромагнитное поле. Стало очевидно, что обнаружен недостающий элемент конструкции ядра атома.

Данные частицы были названы нейтронами. Нейтрон имеет массу примерно равную массе протона, но при этом, как уже говорилось, не имеет никакого заряда.

С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции,...

Кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое значение это имело для человечества

От Masterweb

01.08.2018 14:00

С древних времен человека интересовала структура вещества, которое он наблюдает вокруг себя каждый день. Одна из гипотез, выдвинутая еще в Античной Греции, постулировала, что вещество состоит из элементарных частиц - атомов. Однако только в XX веке было экспериментально установлено, что атом также состоит из субатомных частиц: протонов, электронов и нейтронов. В статье раскрывается тема, кто открыл нейтрон, протон и электрон, и какое влияние оказали эти открытия на развитие человечества.

Атом и субатомные частицы

Материя Вселенной состоит из маленьких частиц, которые называются атомами. Эта концепция была выдвинута греческим математиком и философом Демокритом еще в V веке до нашей эры. С древнегреческого языка слово "атом" переводится как "неделимый". Ввиду технической невозможности проверить, что представляет собой атом, эта гипотеза существовала вплоть до XIX века, когда достижения науки и технологий позволили изучить атом более тщательно. Благодаря изучению атома в конце XIX века было установлено, что он не является элементарной единицей материи и состоит из более мелких частиц, которые были названы субатомными. К этим частицам принято относить электрон, протон и нейтрон, поскольку они образуют атомы всего вещества.

В настоящее время в вопросе изучения элементарных частиц наука продвинулась далеко вперед. Так, было установлено, что даже субатомные частицы тоже имеют свою внутреннюю структуру. Кроме того, существует так называемая антиматерия, образованная атомами, состоящими из античастиц, которые тоже являются субатомными. Тем не менее начало ядерной физики и ядерной истории человечества положило именно открытие электронов, протонов и нейтронов. Кто открыл эти субатомные частицы, рассматривается в этой статье.

Современные представления о строении атома

Прежде чем переходить к ответу на вопрос, кто открыл нейтроны, протоны и электроны, рассмотрим, что с современной точки зрения представляет собой атом.

Каждое вещество, которое мы видим каждый день, состоит из молекул. Они же образованы атомами. Хотя количество различных молекул достаточно велико, все они образованы ограниченным количеством различных атомов (порядка 100). Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и вращающиеся вокруг ядра электроны, электрический заряд которых является отрицательным и противоположен по знаку заряду ядра.

Если применять эти представления к воде, то следует сказать, что в капле воды диаметром 4 мм находится приблизительно 1015 молекул. Молекула воды состоит из 3 атомов: 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атом кислорода состоит из ядра, образованного 8 протонами и 8 нейтронами, и электронной оболочки, состоящей из 8 электронов.

Открытие электрона

До 1897 года человечество считало атом неделимым, когда британский физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон в своих экспериментах с катодными лучами. Прибор, который использовал Томсон, представлял собой герметичную трубку из стекла, в которую были помещены два катода, и был выкачан воздух. Ученый обнаружил, что испускаемые катодные лучи отклоняются от пути своего распространения, если на них воздействовать электрическим полем. В итоге ученый установил, что образующие эти лучи частицы должны иметь отрицательный заряд. Впоследствии эти частицы получили название электроны.

Открытие протона

Ученик Дж. Дж. Томсона, новозеландский физик Эрнест Резерфорд, считается ученым, открывшим протон. Он в начале XX века предложил планетарную модель строения атома, в которой основная масса находится в центре. К такой гипотезе Резерфорд пришел после анализа экспериментов, в которых ученые Ганс Гейгер и Эрнест Марсден бомбардировали альфа-частицами пластинку из золота.

В 1918 году Резерфорд провел самостоятельно эксперименты по взаимодействию альфа-частиц с азотом. В этих экспериментах ученый наблюдал испускание ядер атома водорода и пришел к заключению, что они являются "кирпичиками" для всех других ядер. Так Резерфорд открыл протон. Впоследствии было установлено, что ядерная масса значительно превосходила суммарную массу всех протонов атома, поэтому Резерфорд предположил, что в ядре атома существует еще некоторая тяжелая частица, не обладающая зарядом. Этой частицей стал нейтрон, который был открыт позже.

Кто открыл нейтрон?

Третья составляющая атом частица была открыта в 1932 году. Ученым, открывшим существование нейтронов, стал английский физик Джеймс Чедвик. Изучая поведение атомов, когда их бомбардируют альфа-частицы, Чедвик обнаружил существование радиационного излучения, частицы которого имели массу приблизительно такую же, как протоны, но являлись электрически нейтральными, поскольку не взаимодействовали с электрическим полем. Кроме того, эти частицы были способны пронизывать вещество и заставлять атомы тяжелых элементов делиться на более легкие. Из-за физических свойств новой частицы Чедвик назвал ее нейтроном, поэтому он по праву считается ученым, открывшим нейтрон.

Энергия атомного ядра

После того, как нейтроны были открыты, ядерная физика, а также химия и технологии сделали огромный шаг вперед. Перед человеком открылся новый, практически неисчерпаемый и в то же время опасный источник энергии.

Начало ядерной эры человечество ощутило на себе в 1945 году, когда США испытало в действии разрушительную первую ядерную бомбу "Тринити", сбросив ее на японские города Хиросима и Нагасаки.

Первое использование ядерной энергии в мирных целях следует отнести к середине 50-х годов XX века, когда в 1953 году был построен первый ядерный реактор, который заменил дизельный двигатель на американской подводной лодке "Наутилус".

Улица Киевян, 16 0016 Армения, Ереван +374 11 233 255