Свободный нейтрон открыл Джеймс Чедвик

Даже имея априорную теорию всего я не смог сразу понять, что существование нейтронов в ядрах является однозначным доказательством существования магнитных монополей!

Дело в том, что открытие Джеймса Чедвика, на основе которого сегодня работает почти полтысячи энергетических ядерных реакторов (ещё 57 реакторов находятся в стадии строительства), относится к так называемым свободным нейтронам.

Сэр Джеймс Чедвик (англ. Sir James Chadwick; 20 октября 1891, Боллингтон, Чешир — 24 июля 1974, Кембридж) — английский физик, известный как первооткрыватель нейтрона и фотоядерной реакции, член Лондонского королевского общества (1927), лауреат Нобелевской премии по физике за 1935 год.

Кстати, в качестве шафера на его свадьбе был Капица.

Рассмотрим как произошло открытие нейтронов.

В Германии Вальтер Боте и его студент Герберт Бекер использовали полоний для бомбардирования бериллия альфа-частицами, получая нейтральное излучение с большой проникающей силой; они предположили что это было высокоэнергичное гамма-излучение. У Чедвика был стипендиат, учёный Хью Уэбстер, повторивший результаты Боте и Беккера.

Для Чедвика это излучение было свидетельством того, что он вместе с Резерфордом предполагал долгие годы: существование нейтрона, гипотетической ядерной частицы, НЕ ИМЕЮЩЕЙ электрического заряда. Тогда в январе 1932 года Фезер привлёк внимание Чедвика другим удивительным результатом. Фредерик Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри удалось выбить протоны из парафина, используя полоний и бериллий в качестве источника, как они считали, гамма-излучения.

Резерфорд и Чедвик не согласились: протоны были слишком тяжёлыми для этого. В то же время нейтронам было необходимо лишь небольшое количество энергии для достижения этого эффекта. В Риме Этторе Майорана пришёл к тому же выводу: Жолио-Кюри открыли нейтрон, но не поняли этого.

Чедвик бросил все свои обязанности, чтобы сконцентрироваться на доказательстве существования нейтрона. Ему ассистировал Фезер, и они часто работали ночью. Неизвестное излучение от бериллиевой мишени, облучаемой полонием, направлялось на материал типа парафина; выбитые из парафина протоны затем шли в маленькую ионизационную камеру, в которой регистрировались с помощью осциллографа; измеряя энергию протонов, можно было точно рассчитать энергию «бериллиевого» излучения. (Интересно отметить, что все студенты нашей кафедры повторяли этот эксперимент. Так что, я знаю о чём говорю.)

В феврале 1932 года после нескольких недель экспериментов, Чедвик отправил письмо в журнал Nature, озаглавленное «Возможное существование нейтрона». В деталях он сообщил о своих выводах в статье, озаглавленной «Существование нейтрона», и отправленной в мае в журнал Proceedings of the Royal Society A. Его открытие нейтрона стало новым этапом в понимании строения ядра. Читая результаты Чедвика, Роберт Бэчер и Эдвард Кондон поняли, что аномалии в предыдущей теории, такие как спин атома азота, были бы решены, если бы спин нейтрона был равен ;, и тогда ядро атома азота должно было бы состоять из 7 протонов и 7 нейтронов.

Физики-теоретики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг рассмотрели, может ли быть нейтрон фундаментальной ядерной частицей, как, например, протон и нейтрон, а не пара протон-электрон. Гейзенберг показал, что нейтрон очень хорошо укладывался в понятие новой ядерной частицы, но его точная природа оставалась неясной. В 1933 году, в своей лекции, Чедвик оценил массу нейтрона в 1,0067 а. е. м., в то время как протон и электрон имели суммарную массу, равную 1,0078 а. е. м..

Это подразумевало, что если бы нейтрон был электрон-протонным композитом, энергия связи должна была бы быть 2 МэВ, что звучало разумно, хотя было сложно понять, как частица с такой маленькой энергией связи может быть стабильной?

Оценка такой маленькой разницы в массах требовала сложных и точных измерений, и в 1933—1934 году были получены несколько противоречивых результатов.

Масса нейтрона оказалась слишком большой для того, чтобы он был электрон-протонной парой. Современное принятое значение массы нейтрона составляет 1,00866(6) а. е. м.. Иначе, говоря, масса нейтрона тяжелее протона на 2.5 электрона! СМ так и не смогла это объяснить. Просто, как всегда, объявила полный провал своим достижением. 

Однако, следует отметить, что Чедвик открыл не нейтрон, который физики хотели включить в состав ядра, а так называемый свободный нейтрон — нейтрон, существующий  вне атомного ядра.

Свободный нейтрон бета-радиоактивен с периодом полураспада около 10 минут (608,9 ± 0,3 секунды), что соответствует характерному времени жизни около 15 минут (878,4 ± 0,5 секунды). Существует расхождение в результатах измерений разными методами. Однако, попав в вещество, свободные нейтроны охотно поглощаются ядрами атомов. Скорость поглощения зависит от энергии (скорости движения) нейтрона и сечения захвата, специфичного для каждого изотопа, поглощающего нейтроны. Так, тепловые нейтроны, имеющие среднюю скорость 2200 м/с (температура около 300 K), в воде захватываются протонами в среднем через 230 мкс. Свободные нейтроны очень низких энергий (так называемые «ультрахолодные нейтроны») можно хранить в специальных сосудах в вакууме до их естественного распада, поскольку они испытывают полное внутреннее отражение от стенок сосуда.

В больших количествах свободные нейтроны получают в цепной ядерной реакции деления в ядерном реакторе. Существуют также специальные источники свободных нейтронов.

Свободный нейтрон иногда даже рассматривают как один из изотопов элемента с нулевым атомным номером в таблице Менделеева — нейтрония. Так вот, открытие Джеймса Чедвика было открытием именно свободного нейтрона.

Мощнейший удар по пониманию нейтрона как свободного нейтрона был нанесён Р. Хофштадтером. Вот это настоящий экспериментатор! Додуматься до исследования нейтральной частицы заряженными дорого стоит. В результате оказалось, что есть как бы два различных вида нейтронов.

Свободные нейтроны с характерным временем жизни около 15 минут и нейтроны в ядре с характерным временем жизни в десятки миллиардов лет!

Именно вторые и исследовал Хофштадтер!

Внутренняя структура таких нейтронов впервые была экспериментально исследована им  путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с нейтронами, входящими в состав дейтрона (Нобелевская премия по физике 1961 г.).

Нейтрон Хофштадтера может жить десятки миллиардов лет и состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом 0,25·10^-13 см, с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд +0,35 e, и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от 0,25·10^-13 до 1,4·10^-13 см эта оболочка состоит в основном из виртуальных мезонов и обладает общим зарядом 0,50 e. Дальше расстояния 2,5·10^-13 см от центра простирается оболочка из виртуальных мезонов, несущих суммарный заряд около +0,15 e.

Таким образом, Хофштадтер открыл именно метастабильные нейтроны!

Априорная теория всего сама вышла на доказательства существования магнитных монополей в результате рассмотрения нейтрона Хофштадтера как возбуждённого протона. Т.е., протона и русской тройки!

Как видно из рисунка потенциал слабого взаимодействия описывает два состояния: основное протонное и метастабильное нейтронное. Таким образом, становится понятно превышение массы протона на 2.5 массы электрона.