Ανακαλύπτοντας το νετρόνιο με ελαστική κρούση

Στην κεντρική εικόνα βλέπουμε σχηματικά τη διαδικασία ανακάλυψης του νετρονίου από τον James Chadwick το 1932. Ενεργητικά σωματίδια α προερχόμενα από ραδιενεργό Πολώνιο προσπίπτουν σε πλάκα Βηρυλλίου και προκαλούν έξοδο άγνωστης πολύ διεισδυτικής ακτινοβολίας την οποία οδηγούμε μία φορά σε παραφίνη που είναι πλούσια σε υδρογόνο και μία σε αέριο άζωτο. Από την ελαστική κρούση του άγνωστου σωματίδιου με την παραφίνη απομακρύνονται πρωτόνια τα οπoία κατευθύνονται σε ανιχνευτή – μετρητή και μετράμε την ταχύτητά τους υ_p = 3,3×10⁷ m/s. Στη συνέχεια σωματίδια α από την ίδια πηγή με την ίδια ταχύτητα προσπίπτουν σε Βηρύλλιο προκαλώντας έξοδο των άγνωστων σωματιδίων με την ίδια ταχύτητα. Τα σωματίδια τώρα συγκρούονται με μόρια αζώτου προκαλώντας έξοδο πυρήνων ₇Ν¹⁴ των οποίων η ταχύτητα μετριέται υ_Ν = 4,4χ10⁶ m/s . Θεωρείστε ότι ισχύει η Νευτώνεια μηχανική και ότι οι κρούση των άγνωστων σωματιδίων με πυρήνες υδρογόνου και πυρήνες αζώτου είναι κεντρική ελαστική. Επιπλέον μάζα πρωτονίου m_p = 1 u και μάζα πυρήνων αζώτου m_N = 14 u. Βρείτε τη μάζα του άγνωστου σωματιδίου σε μονάδες ατομικής μάζας.

ΛΥΣΗ   

Από αρχή διατήρησης ορμής και ενέργειας κατά την κεντρική ελαστική κρούση  αν υ_x και m_x η ταχύτητα και η μάζα τού άγνωστου σωματιδίου θα έχουμε:     

υ_p = 2m_x υ_x/(m_x+m_p) (1) και  2m_x υ_x/(m_x+m_N) (2)  (1)(2) =>

 m_x = (m_pυ_p – m_Nυ_N)/(υ_N – υ_p) =>   m_x = 1,008665u 

Κάπως έτσι ο sir James Chadwick ανακάλυψε το ταίρι του πρωτονίου στον πυρήνα των ατόμων. Ένα αφόρτιστο και ως εκ τούτου εξαιρετικά διεισδυτικό σωματίδιο με μάζα παραπλήσια αυτής του πρωτονίου, δηλαδή το νετρόνιο.

Η ιστορία και το πραγματικό πείραμα         

 Το 1932 στο Παρίσι το ζεύγος Joliot – Curie βομβαρδίζοντας φύλλα Βηριλλύου με σωματίδια α παρατήρησαν ότι παράγεται μία άγνωστη ακτινοβολία η οποία προκαλεί έξοδο πρωτονίων από παραφίνη. Λανθασμένα όμως θεώρησαν ότι η άγνωστη ακτινοβολία ήταν τελικά ακτίνες γ.  Όταν η είδηση έφτασε στην περίφημο εργαστήριο Gavedish του Cambridge ο λόρδος Ernest Rutherford αναφώνησε ” δεν το πιστεύω” και σαν επιχείρημα ανέφερε ότι οι ακτίνες γ  μπορούν εύκολα να αφαιρέσουν ηλεκτρόνια από την ύλη(φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton) όχι όμως και πρωτονίων καθώς θα έπρεπε να έχουν την πολύ υψηλή για την εποχή ενέργεια των 50 Mev. Στο ίδιο εργαστήριο υπηρετούσε και ο αθεράπευτα πειραματικός φυσικός James Chadwick(κάτι σαν Βαγγέλης Κουντούρης δηλαδή μόνο που δεν ήταν …ψαράς). Ο Chadwick είχε υπόψη του τις εικασίες του μέντορά του Rutherford ότι μέσα στον πυρήνα των ατόμων εκτός από το πρωτόνιο και κάτι άλλο αφόρτιστο πρέπει να υπάρχει, αποδίδοντας όμως τον όρο αφόρτιστο σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο μαζί. Ο Chadwick λοιπόν στρώθηκε στη δουλειά με βασικό εργαλείο τον θάλαμο νέφους της εποχής(εικόνα κάτω).

Ο θάλαμος είχε κορεσμένους ατμούς ισοπροπυλικής αλκοόλης τα μόρια της οποίας ιονίζονταν από την ακτινοβολία και έγραφαν ένα λευκό πυκνό σύνεφο όπως τα αεροπλάνα σε μεγάλο ύψος. Με μιά φωτογραφική μηχανή ή έναν παλμογράφο γινόντουσαν οι μετρήσεις των χαρακτηριστικών της ιονίζουσας ακτινοβολίας. Με αυτή τη συσκευή που έκαιγε …κάρβουνο στο Gavedish έγιναν κοσμογονικές ανακαλύψεις όπως ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο, ποζιτρόνιο.

Ο Chadwick έκανε πολλές δοκιμές με διάφορους στόχους και μετά 10 ημέρες είχε έτοιμη την απάντηση. Η ακτινοβολία που προκαλούσε την έξοδο πρωτονίων από την παραφίνη δεν ήταν παρά ένα αφόρτιστο πυρηνικό σωματίδιο με μάζα λίγο μεγαλύτερη αυτής του πρωτονίου. Το σωματίδιο βάφτησε ο ίδιος νετρόνιο. Για την ιστορία η αρχή διατήρησης της ενέργειας για το πείραμα ήταν.

1/2m_αυ_α² + m_αc² + m_Bec² = 1/2m_pυ_p² + m_pc² + 1/2m_nυ_n² + m_nc² 

O έμπειρος πειραματιστής από τις πολλές δοκιμές που είχε κάνει ήταν πεπεισμένος ότι το άγνωστο σωματίδιο είχε περίπου την ίδια μάζα με το πρωτόνιο. Έτσι έθεσε την ταχύτητα του παραγόμενου πρωτονίου ίση με την άγνωστη ταχύτητα του σωματιδίου(κεντρική ελαστική κρούση σωμάτων ίδιας μάζας). Με αντικατάσταση στην παραπάνω εξίσωση υπολόγισε την μάζα του νετρονίου του 938 Mev με πειραματικό σφάλμα + ή – 1,8. H σημερινή τιμή είναι 939,57 Mev μέσα στα όρια σφάλματος που είχε υπολογίσει ο Chadwick με τη μηχανή που έκαιγε κάρβουνο. Το 1935 ο Chadwick “έκλεψε” το νόμπελ φυσικής από το ζεύγος Joliot – Curie οι οποίοι όμως κέρδισαν την ίδια χρονιά το νόμπελ χημείας για την τεχνητή ραδιενέργεια.

To 1932 o Chadwick ανακάλυψε το νετρόνιο χωρίς φυσικά να φανταστεί ότι σε πολύ λίγα χρόνια θα αποτελούσε το σπίρτο που θα πυροδοτούσε την βόμβα που σκόρπισε τον πυρηνικό όλεθρο στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι. Όταν το συνειδητοποίησε το 1943 στο περίφημο άκρως απόρρητο σχέδιο Μανχάταν όπου και οριστικοποιήθηκε η χρήση ατομικής βόμβας είπε” πήρα ηρεμιστικά για να κοιμηθώ”. Ο Chadwick ήταν επικεφαλής της βρετανικής αντιπροσωπείας στο Λος Άλαμος για το σχέδιο Μανχάταν, όπως και μέλος της επιστημονικής επιτροπής MAUD που είχε συσταθεί το 1940 προκειμένου να διερευνήσει τη δυνατότητα κατασκευής ατομικής βόμβας.