Nahoře: Co je to neutron? Subjaderná částice s téměř stejnou hmotností jako proton, ale s neutrálním elektrickým nábojem. Dole: Atomové jádro obsahuje protony a neutrony.
Nahoře: Co je to neutron? Subjaderná částice s téměř stejnou hmotností jako proton, ale s neutrálním elektrickým nábojem. Dole: Atomové jádro obsahuje protony a neutrony.

Objevu neutronu v únoru oslavil 90. výročí

Letos v únoru tomu bylo 90 let ode dne objevu neutronu. Za jeho objevitele dnes považujeme (zcela právem!) britského fyzika Jamese Chadwicka. Chceme-li být přesní, musíme to uvést na pravou míru: hlavní zásluha Chadwicka nespočívala v tom, že tuto částici objevil, ale že správně pochopil, co vlastně objevil.

Příběh jména

Příběh objevení neutronu dnes většinou počítáme od přednášky Ernesta Rutherforda v roce 1920. Sám termín se však ve skutečnosti ve vědecké literatuře objevil mnohem, mnohem dříve. Historici vědy a amatérští nadšenci objevili první zmínku o neutronu v článku, uveřejněném v časopise „Philosophical Magazine“ v březnu 1899.

Jeho autorem se stal William Sutherland, britský fyzik, více známý jako autor přibližného vzorce pro závislost viskozity ideálního plynu na teplotě. Tehdy samozřejmě nerozjímal o jaderné fyzice – přemýšlel o povaze katodových a rentgenových paprsků, tak, jak jí tehdy vědci rozuměli. Navrhl jméno „neutron“ pro „analog materiální molekuly“, který sestává z páru záporně a kladně nabitých elektronů. O tři roky později Sutherland prohlásil: „Neutron a elektron – to jsou molekula a atom elektřiny“. Nechme teď stranou kritiku a námitky, které se samy nabízejí, Sutherland byl vynikající fyzik, ale slabší teoretik, a pokračujme dále po časové ose.

Na rozdíl od Sutherlandu duchovní otec toho opravdového neutronu, Ernest Rutherford, termín „neutron“ dlouhou dobu nepoužíval. První písemné svědectví ve prospěch neutronu, které Rutherford zanechal, se objevilo v roce 1904, byla to malá poznámka o „hypotetické malé nenabité částici, která se pohybuje skrz hmotu“. Ve své Bakerovské přednáškce 3. 6. 1920, která později získala věhlas a slávu, „Nuclear Constitution of Atoms“, předložil a rozvíjel Rutherford své dřívější nápady. Předpokládal, že „za některých podmínek se elektron může mnohem těsněji spojit s jádrem H a vzniká tak určitý neutrální dublet (neutral doublet)“. Ačkoliv slovo „neutron“ Rutherford nevyslovil nahlas, přednáška dala podnět k dalšímu experimentálnímu hledání důkazů, že tato částice existuje.

V době předinternetové bylo mnohem komplikovanější sledovat práce konkurence a obhajovat své prvenství. Po uveřejnění své Bakerovské přednášky obdržel pan Rutherford jízlivou gratulaci od amerického fyzika a fyzikálního chemika Williama Drapera Harkinse: „S velkým zájmem jsem se seznámil se skutečností, že uvažujete o existenci prvku s nulovým atomovým číslem, o to větším, že jsem už více než před rokem vyslovil tutéž domněnku ve článku, který jsem poslal do „Physical Review““.

Rutherford nezůstal svému kolegovi nic dlužen a poté, co tento dopis ze Spojených států obdržel, urychlil publikaci článku australského chemika Davida Ormeho Massona, který se podle Rutherforda dostal k pochopení jemnějších atomových struktur dříve, dále a v přiblížení mnohem přesnějším, než Harkins.Tečku za sporem dvou vědců učinili potomci. Rutherford a jeho přednášku dnes považujeme za výchozí bod v epickém příběhu o hledání důkazů pro existenci neutronu. Harkinsovi patří ta čest, že jako první použil termín „neutron“ pro ten skutečný neutron, učinil tak ve stati, publikované v roce 1921. Co se týče Massona, ten za svou dálkovou účast ve vědecké disputaci dostal článek na Wikipedii.

Problém interpretace

Experimentální hledání neutronu můžeme směle připodobnit k shakespearovské „The Comedy of Errors“ (Komedie omylů). Zpětně se ukázalo, že neutrony objevovaly souběžně (tedy prováděly pokusy, při kterých vznikaly neutronové svazky) různé skupiny vědců počínaje přibližně rokem 1929. Problém spočíval v interpretaci výsledků, neboť všeobecně měli vědci nejprve většinou za to, že pozorují vysokoenergetické gama-paprsky. V pokusech, o kterých teď mluvíme, používali polonium coby zdroj alfa-částic. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becker zjistili, že pod vlivem ostřelování alfa-částicemi beryllium vyzařuje paprsky, které považovali za „mající charakter gama-záření“. Ano, správně, fakticky vynalezli polonium-berylliový zdroj neutronů, ale dovtípit se toho tehdy nedokázali.

Polonium-210 plným právem považujeme za prakticky čistý alfa-zářič, při rozpadu jádro 210Po vypouští alfa-částici s energií 5,3 MeV. Na jádru beryllia, na druhou stranu, probíhá reakce 9Be+α, při níž vznikají 12C a volný neutron. Tímto způsobem tedy Bothe a Becker získali ve svých pokusech svazek neutronů, avšak považovali jej za jakési podivné gama-paprsky s výjimečně vysokou pronikavostí, „berylliové paprsky“. Dalším krokem v epopeji „Jak byl objeven neutron“ se staly pokusy manželů Irène a Frédérica Joliot-Curieových. Zaujaly je zvláštnosti berylliových paprsků, manželé se pustili do zkoumání toho, jak interagují s jinými látkami a časem zjistili, že „s velkou rychlostí“ vyrážejí protony z látek, obsahujících vodík.

A právě tam se do příběhu poprvé vložil James Chadwick. Coby Rutherfordův žák velmi vytrvale hledal důkazy o existenci neutronu a jeho vynikající, výjimečná vědecká intuice jej přiměla obrátit svou pozornost právě na berylliové paprsky. Chadwickůw historický pokus z roku 1932 je tak jednoduchý, že jej snadno zopakujete v garáži, tedy pokud v garáži máte trochu zásob polonia.

Na stříbrném disku o průměru 1 cm Chadwick nechal usadit polonium z roztoku radia. Získaný alfa-zářič umístil vedle disku z čistého beryllia o průměru 2 cm. Celou konstrukci pak vložil do válce, ze kterého bylo možné odsávat vzduch, a doplnil to ionizační komorou. Mezi válec a komoru vkládal Chadwick pláty z různých materiálů, včetně bohatého na vodík parafínu, a zopakoval výsledky z pokusů manželů Curieových. Ale jejich interpretace zůstávala problém, berylliové paprsky byly stále považovány za poddruh gama-záření.

Schéma pokusu Jamese Chadwicka z jeho článku, který obdržela redakce časopisu „Proceedings of the Royal Society A“ 10. května 1932. Vzorky z parafínu a jiných materiálů vkládal Chadwick mezi válcový zdroj (zleva) a ionizační komoru.
Schéma pokusu Jamese Chadwicka z jeho článku, který obdržela redakce časopisu „Proceedings of the Royal Society A“ 10. května 1932. Vzorky z parafínu a jiných materiálů vkládal Chadwick mezi válcový zdroj (zleva) a ionizační komoru.

A právě tehdy učinil Chadwick právě onen poslední krok, první do neznáma. Vypočítal energii, kterou by muselo mít gama-kvantum, které vyletělo z berylliového disku a vyrazilo z parafínového plátu proton s pozorovanou energií. Odpověď jej šokovala: energie gama-kvantu by musela být rovna 55 MeV. Na druhou stranu však jeho teoretická nejvyšší energie v reakci 9Be+α→13C+γ nemohla překročit 14 MeV. Chadwickovi tak zbyly dvě možnosti: uznat neplatnost zákona zachování energie, nebo změnit pohled na povahu berylliového záření. Jako pravý vědec pochopitelně vybral to druhé.

Jeho výpočty ukázaly, že výsledky tohoto pokusu lze dobře popsat, pokud přijmeme hypotézu, že berylliové paprsky sestávají z nenabitých částic o hmotnosti přibližně rovné hmotnosti protonu — tedy z neutronů. Touto cestou byl neutron nakonec definitivně objeven, potvrzen, pojmenován a ve světě začala doba jaderná.

Zdroj: Atominfo.ru

O autorovi

admin

Leave a Reply

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..