نوترون چیست و چگونه کشف شد؟

سال اکتشاف: ۱۹۳۲

این کشف چه می‌گوید؟

نوترون ذره‌ای کوچکتر از اتم است که در هستهٔ اتم قرار گرفته، جرمی برابر با پروتون دارد، اما فاقد بار الکتریکی است.

چه کسی آن را کشف کرد؟

جیمز چادویک James Chadwick

کشف نوترون یکی از بزرگترین اکتشافات قرن بیستم بود. اول، این کشف دانش ما را دربارهٔ ساختمان اتم کامل کرد. دوم، از آن جا که نوترونها بار الکتریکی ندارند، این ذره برای واکنش‌های هسته‌ای و مطالعهٔ ساختمان و واکنش‌های اتم از همه قابل استفاده‌تر است. ارنست لاورنس از دانشگاه برکلی با استفاده از نوترون توانست چندین عنصر جدید را کشف کند. نوترون‌ها برای شکافت اتمی ضروری هستند.

از زمان کشف ذرات کوچکتر از اتم (۱۹۰۱)، وقتی دو ذره – پروتون و الکترون – کشف شده بود دانشمندان تصور می‌کردند این دو ذره تمام جرم اتم را تشکیل می‌دهند.

اما مشکلی هم در میان بود اگر اتم‌ها از پروتون و الکترون تشکیل شده بودند، جهت چرخش (اسیین یا ممان الکتریکی) آنها درست از آب در نمی‌آمد. این نظریه که هر ذرهٔ کوچکتر از اتم دارای چرخش و دوران است نخستین بار در ۱۹۲۵ کشف شده بود. برای مثال اتم هستهٔ اتم نیتروژن جرم اتمی ۱۴ (جرم پروتون) دارد، و هستهٔ آن بار مثبت ۷+ (هر پروتون بار ۱+)؛ برای آن که این بار مثبت متعادل شود، هفت الکترون (با بار منفی) می‌باید درون هسته وجود داشته باشد تا بار مثبت هفته پروتون را خنثی کند.

بنابراین، ۲۱ ذره (۱۴ پروتون و ۷ الکترون) می‌باید درون هر هستهٔ نیتروژن با جهت چرخش  + و یا  – وجود داشته باشند (یعنی درجهت حرکت عقربه‌های ساعت یا عکس جهت حرکت عقربه‌های ساعت). از آن جا که تعداد ذرات درون هسته عدد فرد است یعنی ۲۱، کل جهت چرخش هر هستهٔ نیتروژن می‌باید  باشد اما جهت چرخش اندازه گرفته شده هستهٔ نیتروژن می‌باید همیشه عدد صحیح باشد نه عدد کسری، – لذا چیزی در این میان غلط بود.

ارنست راترفورد مشخص کرد که چیزی به نام پروتون – الکترون در هسته وجود دارد و هستهٔ نیتروژن هفت پروتون دارد و هفت پروتون و الکترون (برای ۱۴ ذره – عدد زوج – و شناسایی کند زیرا تنها راه شناخته شده شناسایی، تشخیص بار الکتریکی آن بود.

بعد جیمز چادویک پابه این صحنه گذاشت. او از جمله فیزیک‌دان‌هایی بود که فیزیک اتمی را از راترفورد آموخته بود. او وسوسه شده بود که تحقیقات راترفورد را دنبال کند.

چادویک در ۱۹۲۸ از بریلیوم برای تحقیقات خود استفاده کرد. بریلیوم، اتم کوچک ساده‌ای بود با جرم اتمی ۹. او بریلیوم را با ذرات آلفا که از پلوتونیوم گرلفته بود بمباران کرد و امیدوار بود اتم‌های بریلیوم مورد اصابت این ذرات قرار گیرد و ذرات آلفای جدیدی با جرم ۴ بوجود آید.

اگر چنین اتفاقی می‌افتاد این دو ذرهٔ آلفا می‌باید تمام بار الکتریکی هسته اصلی بریلیوم – اما نه همهٔ جرم آن را – را در خود حمل کنند. یک واحد اتمی جرم (جرم پروتون) از جرم اصلی بریلیوم که ۹ است باقی می‌ماند. اما آخرین ذره، با اندازهٔ پروتون، که از شکستن هستهٔ بریلیوم به جا می‌ماند بار الکتریکی ندارد. پس این ذره می‌باید پروتون – الکترون (که حالا نوترون خوانده می‌شود) باشد.

اگر این آزمایشات درست از آب در می‌آمد چادویک جریانی از نوترونها به همراه ذرات آلفا درست می‌کرد. اما سه سال طول کشید تا راهی پیدا کند و نوترونها را شناسایی نماید. او از میدان الکتریکی نیرومندی برای تاباندن ذرات آلفا (که همه دارای بار الکتریکی بودند) استفاده کرد. فقط ذرات بدون بار، مستقیم به هدف – که جعبه‌ای از موم بود- برخورد کردند.

چادویک تشخیص داد چیزی به هدفی که مشخص کرده برخورد کرده است. آن چیز آن قدر سخت بود که ذرات آلفای جدیدی را تولید کند. آن چیز می‌باید از برخورد ذرات آلفا با اتمهای بریلیوم تولید شده باشد و اندازه‌ای برابر با پروتون (که بتواند ذرات آلفای جدید در هدف به وجود آورد) داشته باشد و بدون بار الکتریکی باشد زیرا میدان مغناطیسی مسیر آن تغییر نداده بود، چنین ذره‌ای باید نوترون باشد.

چادویک نوترون را کشف کرده بود. ثابت کرده بود چنین ذره‌ای وجود دارد، اما راترفورد آن را نوترون نامید زیرا بار خنثی داشت.

جرم نوترون ۱۸۴۰ برابر الکترون است. این اندازه را چگونه می‌شود با پروتون مقایسه کرد؟