นักวิชาการ A.F. Ioffe "วิทยาศาสตร์กับชีวิต" ครั้งที่ 1 พ.ศ. 2477
บทความ "The Nucleus of an Atom" โดยนักวิชาการ Abram Fedorovich Ioffe เปิดวารสาร "Science and Life" ฉบับแรกซึ่งสร้างขึ้นใหม่ในปี 2477
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด.
เอฟ ดับเบิ้ลยู แอสตัน
คลื่นธรรมชาติของสสาร
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 โครงสร้างอะตอมมิคของสสารกลายเป็นสมมติฐาน และอะตอมก็กลายเป็นความจริงเช่นเดียวกับข้อเท็จจริงและปรากฏการณ์ตามปกติสำหรับเรา
ปรากฎว่าอะตอมเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนมาก ซึ่งรวมถึงประจุไฟฟ้าอย่างไม่ต้องสงสัย และอาจมีเพียงประจุไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวเท่านั้น ดังนั้น จึงเกิดคำถามขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม
อะตอมรุ่นแรกถูกจำลองตามระบบสุริยะ อย่างไรก็ตาม แนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมนี้กลับกลายเป็นว่าไม่สามารถป้องกันได้ในไม่ช้า และนี่คือธรรมชาติ แนวคิดของอะตอมในฐานะระบบสุริยะคือการถ่ายโอนภาพทางกลอย่างหมดจดที่เกี่ยวข้องกับตาชั่งทางดาราศาสตร์ไปยังพื้นที่ของอะตอม โดยที่ตาชั่งมีขนาดเพียงหนึ่งร้อยล้านเศษของเซนติเมตร การเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณที่เฉียบแหลมเช่นนี้ไม่สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญมากในคุณสมบัติเชิงคุณภาพของปรากฏการณ์เดียวกันได้ ความแตกต่างนี้สะท้อนให้เห็นเป็นหลักในความจริงที่ว่าอะตอมซึ่งตรงกันข้ามกับระบบสุริยะจะต้องสร้างขึ้นตามกฎที่เข้มงวดกว่ากฎที่กำหนดวงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ
มีปัญหาสองประการ ประการแรก อะตอมของชนิดที่กำหนดทั้งหมด ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่กำหนด ในคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมัน จะเหมือนกันทุกประการ ดังนั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมเหล่านี้จึงควรเหมือนกันทุกประการ ในขณะเดียวกัน กฎของกลศาสตร์ที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้าก็ไม่มีเหตุผลสำหรับเรื่องนี้อย่างแน่นอน ตามกฎเหล่านี้ วงโคจรของดาวเคราะห์สามารถหมุนได้ตามอำเภอใจโดยสมบูรณ์ โดยขึ้นอยู่กับความเร็วเริ่มต้นในแต่ละครั้งด้วยความเร็วที่เหมาะสมในวงโคจรใดๆ ในทุกระยะห่างจากดวงอาทิตย์ หากมีวงโคจรตามอำเภอใจเดียวกันในอะตอม อะตอมของสสารเดียวกันก็จะไม่สามารถมีคุณสมบัติเหมือนกันได้ ตัวอย่างเช่น ให้สเปกตรัมการแผ่รังสีเดียวกันอย่างเคร่งครัด นี่เป็นความขัดแย้งอย่างหนึ่ง
อีกประการหนึ่งคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม หากเราประยุกต์ใช้กฎที่เราได้ศึกษามาเป็นอย่างดีในการทดลองในห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ หรือแม้แต่ปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ จะต้องมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น พลังงานของอะตอมจะต้องถูกทำให้หมดลงอย่างต่อเนื่อง และอีกครั้ง อะตอมก็ไม่สามารถรักษาคุณสมบัติของมันให้เหมือนเดิมและไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลาหลายศตวรรษและนับพันปี และทั้งโลกและอะตอมทั้งหมดจะต้องประสบกับการสลายตัวอย่างต่อเนื่อง การสูญเสียอย่างต่อเนื่องของ พลังงานที่มีอยู่ในตัวพวกเขา สิ่งนี้ก็เข้ากันไม่ได้กับคุณสมบัติพื้นฐานของอะตอมเช่นกัน
ความยากลำบากอย่างหลังรู้สึกได้อย่างชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ดูเหมือนว่าจะนำวิทยาศาสตร์ทั้งหมดไปสู่ทางตันที่ไม่ละลายน้ำ
นักฟิสิกส์รายใหญ่ที่สุด Lorentz จบการสนทนาของเราในเรื่องนี้ดังนี้: "ฉันเสียใจที่ฉันไม่ได้ตายเมื่อห้าปีที่แล้วเมื่อยังไม่มีความขัดแย้งนี้ จากนั้นฉันก็จะตายโดยเชื่อว่าฉันได้เปิดเผยความจริงบางส่วนในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ "
ในเวลาเดียวกัน ในฤดูใบไม้ผลิของปี 1924 เดอ บรอกลี นักศึกษาสาวของ Langevin แสดงความคิดในวิทยานิพนธ์ว่า ในการพัฒนาต่อไป นำไปสู่การสังเคราะห์แบบใหม่
แนวคิดของ De Broglie นั้นเปลี่ยนไปอย่างมาก แต่ยังคงไว้ซึ่งส่วนใหญ่ก็คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสในอะตอมไม่ใช่แค่การเคลื่อนที่ของลูกบอลอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ว่าการเคลื่อนไหวนี้มาพร้อมกับ a คลื่นไปพร้อมกับอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนไม่ใช่ลูกบอล แต่สสารไฟฟ้าบางส่วนเบลอในอวกาศ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้นเป็นการแพร่ขยายของคลื่นไปพร้อม ๆ กัน
ความคิดนี้จึงขยายออกไปไม่เฉพาะกับอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเคลื่อนที่ของร่างกายใดๆ ทั้งอิเล็กตรอน อะตอม และอะตอมทั้งชุด ยืนยันว่าการเคลื่อนไหวใดๆ ของร่างกายประกอบด้วยสองด้าน ซึ่งเราสามารถทำได้ บางกรณีมองเห็นด้านใดด้านหนึ่งได้ชัดเจนเป็นพิเศษ ขณะที่อีกด้านหนึ่งไม่ปรากฏเด่นชัด ในกรณีหนึ่ง เราเห็นเหมือนที่มันเป็น การแพร่กระจายคลื่นและไม่สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ของอนุภาค ในอีกกรณีหนึ่ง อนุภาคที่เคลื่อนที่เองมาถึงด้านหน้า และคลื่นก็หนีจากการสังเกตของเรา
แต่ในความเป็นจริง ทั้งสองด้านนี้มีอยู่เสมอ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ไม่เพียงแต่การเคลื่อนที่ของประจุเองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแพร่กระจายของคลื่นด้วย
นี่ไม่ได้หมายความว่าไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจร แต่มีเพียงการเต้นเป็นจังหวะ มีเพียงคลื่นเท่านั้น นั่นคืออย่างอื่น ไม่ พูดแบบนี้คงจะถูกต้องกว่า การเคลื่อนที่ของอิเล็กโทรด ซึ่งเราเปรียบกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ เราไม่ปฏิเสธเลย แต่การเคลื่อนไหวนี้มีลักษณะของการเต้นเป็นจังหวะ ไม่ใช่ ลักษณะของการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์
ฉันจะไม่กำหนดโครงสร้างของอะตอม โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนนั้น ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานทั้งหมด - การเกาะติดกัน ความยืดหยุ่น ความเป็นเส้นเลือดฝอย คุณสมบัติทางเคมี ฯลฯ ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของเปลือกอิเล็กตรอน หรืออย่างที่เราพูดตอนนี้ จังหวะของอะตอม
ปัญหานิวเคลียร์ปรมาณู
นิวเคลียสมีบทบาทสำคัญในอะตอม นี่คือศูนย์กลางที่อิเล็กตรอนทั้งหมดหมุนรอบและคุณสมบัติของมันในที่สุดกำหนดทุกอย่างอื่น
สิ่งแรกที่เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับนิวเคลียสคือประจุของมัน เรารู้ว่าอะตอมมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่จำนวนหนึ่ง แต่อะตอมทั้งหมดไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าต้องมีประจุบวกที่สอดคล้องกันที่ไหนสักแห่ง ประจุบวกเหล่านี้กระจุกตัวอยู่ในแกนกลาง นิวเคลียสเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งบรรยากาศอิเล็กทรอนิกส์รอบๆ นิวเคลียสจะเต้นเป็นจังหวะ ประจุนิวเคลียร์ยังกำหนดจำนวนอิเล็กตรอน
อิเลคตรอนของเหล็ก ทองแดง แก้ว และไม้ เหมือนกันทุกประการ สำหรับอะตอม ไม่มีปัญหาที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนบางส่วน หรือแม้แต่สูญเสียอิเล็กตรอนทั้งหมด ตราบใดที่นิวเคลียสที่มีประจุบวกยังคงอยู่ นิวเคลียสนี้จะดึงดูดอิเล็กตรอนจากวัตถุรอบๆ ตัวอื่นๆ ได้มากเท่าที่ต้องการ และอะตอมก็จะยังคงอยู่ อะตอมของเหล็กจะยังคงเป็นเหล็กตราบเท่าที่แกนกลางของมันยังคงอยู่ หากสูญเสียอิเล็กตรอนไปหลายตัว ประจุบวกของนิวเคลียสจะมากกว่าผลรวมของประจุลบที่เหลืออยู่ และอะตอมทั้งหมดจะได้รับประจุบวกส่วนเกิน จากนั้นเราก็เรียกมันว่าไม่ใช่อะตอม แต่เป็นไอออนบวกของเหล็ก ในอีกกรณีหนึ่ง ในทางกลับกัน อะตอมสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนเชิงลบมาสู่ตัวมันเองได้มากกว่าที่มีประจุบวกอยู่ในนั้น จากนั้นมันจะถูกประจุลบ และเราเรียกมันว่าไอออนลบ มันจะเป็นไอออนลบของธาตุเดียวกัน ดังนั้น ความเป็นเอกเทศขององค์ประกอบ คุณสมบัติทั้งหมดมีอยู่และถูกกำหนดโดยแกนกลาง ประจุของแกนนี้ อย่างแรกเลย
นอกจากนี้ - มวลของอะตอมในส่วนที่ท่วมท้นถูกกำหนดโดยนิวเคลียสไม่ใช่โดยอิเล็กตรอน - มวลของอิเล็กตรอนมีมวลน้อยกว่าหนึ่งในพันของมวลของอะตอมทั้งหมด มวลรวมมากกว่า 0.999 คือมวลของนิวเคลียส ทั้งหมดนี้มีความสำคัญมากกว่าเพราะเราถือว่ามวลเป็นตัววัดพลังงานสำรองที่มีอยู่ในสารที่กำหนด มวลเป็นหน่วยวัดพลังงานเดียวกับเอิร์ก กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือแคลอรี่
ความซับซ้อนของนิวเคลียสถูกเปิดเผยในปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี ซึ่งค้นพบในไม่ช้าหลังรังสีเอกซ์ ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ ธาตุกัมมันตภาพรังสีเป็นที่ทราบกันว่าปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่องในรูปของรังสีอัลฟา เบต้า และแกมมา แต่การแผ่รังสีพลังงานอย่างต่อเนื่องเช่นนี้ต้องมีแหล่งกำเนิดบางอย่าง ในปี ค.ศ. 1902 รัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นว่าแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวที่ควรจะเป็นอะตอม กล่าวคือ พลังงานนิวเคลียร์ อีกด้านหนึ่งของกัมมันตภาพรังสีก็คือการแผ่รังสีเหล่านี้ส่งธาตุหนึ่งที่อยู่ในตารางธาตุไปยังธาตุอื่นที่มีคุณสมบัติทางเคมีต่างกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งกระบวนการกัมมันตภาพรังสีดำเนินการเปลี่ยนรูปของธาตุ หากนิวเคลียสของอะตอมเป็นตัวกำหนดความเป็นตัวของตัวเองและตราบใดที่นิวเคลียสยังคงอยู่ ตราบใดที่อะตอมยังคงเป็นอะตอมของธาตุที่กำหนด ไม่ใช่อย่างอื่น การเปลี่ยนแปลงของธาตุหนึ่งไปสู่อีกวิธีหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอม
รังสีที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตภาพรังสีเป็นแนวทางแรก ซึ่งช่วยให้ตัวเองสร้างแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับสิ่งที่มีอยู่ในนิวเคลียสได้
รังสีอัลฟาเป็นนิวเคลียสของฮีเลียมและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบที่สองของตารางธาตุ ดังนั้น เราสามารถคิดได้ว่านิวเคลียสประกอบด้วยนิวเคลียสฮีเลียม แต่การวัดความเร็วที่รังสีอัลฟาพุ่งออกมาทันทีทำให้เกิดปัญหาร้ายแรง
ทฤษฎีกัมมันตภาพรังสีของ GAMOV
นิวเคลียสมีประจุบวก เมื่อเข้าใกล้อนุภาคที่มีประจุใด ๆ จะได้รับแรงดึงดูดหรือแรงผลัก ในห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ ปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์: ประจุสองประจุมีปฏิกิริยาต่อกันกับแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุหนึ่งและอีกประจุหนึ่ง จากการศึกษากฎแห่งแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่อนุภาคสัมผัสเมื่อเข้าใกล้นิวเคลียส รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่าในระยะห่างที่ใกล้มากกับนิวเคลียส ตามลำดับ 10 -12 ซม. กฎของคูลอมบ์เดียวกันยังคงใช้ได้ หากเป็นเช่นนี้ เราก็สามารถคำนวณได้ง่ายๆ ว่านิวเคลียสจะต้องทำงานมากเพียงใดโดยการขับไล่ประจุบวกออกจากตัวมันเองขณะที่มันออกจากนิวเคลียสและถูกขับออกไป อนุภาคแอลฟาและนิวเคลียสฮีเลียมที่มีประจุซึ่งหลุดออกมาจากนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำที่น่ารังเกียจของประจุ และตอนนี้การคำนวณที่สอดคล้องกันทำให้ภายใต้อิทธิพลของแรงผลักเพียงอย่างเดียว อนุภาคแอลฟาควรจะสะสมพลังงานจลน์ที่สัมพันธ์กับอิเล็กตรอนโวลต์อย่างน้อย 10 หรือ 20 ล้านอิเล็กตรอน นั่นคือ พลังงานที่ได้รับเมื่อมีประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน ทะลุผ่าน ความต่างศักย์ 20 ล้านโวลท์ แต่ในความเป็นจริง เมื่อหลุดออกมาจากอะตอม พวกมันจะมีพลังงานน้อยกว่ามาก เพียง 1-5 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ แต่นอกจากนั้น
เป็นเรื่องปกติที่จะคาดหวังว่านิวเคลียสโดยการโยนอนุภาคอัลฟาออกไปจะทำให้มีบางอย่างในการบูตด้วย ในช่วงเวลาของการดีดออก บางสิ่งที่เหมือนกับการระเบิดเกิดขึ้นในแกนกลาง และการระเบิดครั้งนี้ทำให้เกิดพลังงานบางอย่าง สิ่งนี้จะเพิ่มการทำงานของกองกำลังขับไล่และปรากฎว่าผลรวมของพลังงานเหล่านี้น้อยกว่าที่แรงผลักหนึ่งครั้งควรให้ ความขัดแย้งนี้จะถูกลบออกทันทีที่เราละทิ้งการถ่ายโอนทางกลไปยังพื้นที่ของมุมมองที่พัฒนาจากประสบการณ์การศึกษาวัตถุขนาดใหญ่ซึ่งเราไม่คำนึงถึงธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของคลื่น GA Gamov เป็นคนแรกที่ให้การตีความความขัดแย้งนี้อย่างถูกต้องและเพื่อสร้างทฤษฎีคลื่นของนิวเคลียสและกระบวนการกัมมันตภาพรังสี
เป็นที่ทราบกันว่าในระยะทางที่ไกลพอสมควร (มากกว่า 10 -12 ซม.) นิวเคลียสจะขับไล่ประจุบวกออกจากตัวมันเอง ในอีกทางหนึ่ง ไม่ต้องสงสัยเลยว่าภายในนิวเคลียสเอง ซึ่งมีประจุบวกจำนวนมาก ด้วยเหตุผลบางอย่างจึงไม่ขับไล่ การมีอยู่จริงของนิวเคลียสแสดงให้เห็นว่าประจุบวกภายในนิวเคลียสดึงดูดซึ่งกันและกัน และภายนอกนิวเคลียสจะถูกขับออกจากนิวเคลียส
คุณจะอธิบายสภาวะพลังงานในแกนกลางและรอบๆ ได้อย่างไร? Gamow สร้างประสิทธิภาพดังต่อไปนี้ เราจะอธิบายในแผนภาพ (รูปที่ 5) ค่าพลังงานของประจุบวกในสถานที่ที่กำหนดโดยมีระยะห่างจากเส้นแนวนอน อา.
เมื่อมันเข้าใกล้นิวเคลียส พลังงานประจุจะเพิ่มขึ้น เพราะงานจะทำกับแรงผลัก ในทางตรงกันข้ามภายในนิวเคลียสพลังงานควรลดลงอีกครั้งเพราะที่นี่ไม่มีการขับไล่ซึ่งกันและกัน แต่มีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ที่ขอบเขตของนิวเคลียสค่าพลังงานลดลงอย่างรวดเร็ว ภาพวาดของเราแสดงบนเครื่องบิน อันที่จริงเราต้องจินตนาการถึงมันในอวกาศที่มีการกระจายพลังงานเท่ากันและในทิศทางอื่นทั้งหมด จากนั้นเราพบว่ารอบๆ นิวเคลียสมีชั้นทรงกลมที่มีพลังงานสูง ซึ่งเป็นเกราะป้องกันพลังงานชนิดหนึ่งที่ปกป้องนิวเคลียสจากการแทรกซึมของประจุบวก ซึ่งเรียกว่า "เกราะกั้นกาโม"
หากเราใช้มุมมองปกติเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของร่างกายและลืมเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่น เราควรคาดหวังว่ามีเพียงประจุบวกเท่านั้นที่สามารถเจาะเข้าไปในแกนกลางได้ ซึ่งพลังงานนั้นไม่น้อยกว่าความสูง ของสิ่งกีดขวาง ในทางตรงกันข้าม เพื่อที่จะออกจากนิวเคลียส ประจุจะต้องไปถึงยอดของเกราะกั้นก่อน หลังจากนั้นพลังงานจลน์ของมันจะเริ่มขึ้นตามระยะห่างจากนิวเคลียส หากที่ด้านบนสุดของบาเรียร์มีพลังงานเท่ากับศูนย์ เมื่อนำออกจากอะตอมแล้ว จะได้รับอิเล็กตรอนโวลต์ 20 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ที่ไม่เคยสังเกตพบมาก่อน ความเข้าใจใหม่ของ Gamow เกี่ยวกับเคอร์เนลมีดังนี้ การเคลื่อนที่ของอนุภาคควรถือเป็นคลื่น ดังนั้นการเคลื่อนไหวนี้จึงได้รับผลกระทบจากพลังงานไม่เพียงแต่ ณ จุดที่อนุภาคครอบครอง แต่ยังรวมถึงคลื่นที่เบลอทั้งหมดของอนุภาคด้วย ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ที่ค่อนข้างใหญ่ ตามแนวคิดของกลศาสตร์คลื่น เราสามารถโต้แย้งได้ว่าแม้ว่าพลังงาน ณ จุดที่กำหนดจะยังไม่ถึงขีดจำกัดที่สอดคล้องกับด้านบนของบาเรียร์ อนุภาคก็อาจไปสิ้นสุดที่อีกด้านหนึ่ง ซึ่งจะไม่ถูกดึงออกมาอีกต่อไป เข้าสู่แกนกลางด้วยแรงดึงดูดที่กระทำที่นั่น
ประสบการณ์ต่อไปนี้แสดงถึงสิ่งที่คล้ายกัน ลองนึกภาพว่ามีถังน้ำอยู่หลังผนังห้อง ท่อหนึ่งไหลจากถังนี้ ซึ่งสูงเหนือรูผ่านรูในกำแพงและจ่ายน้ำ ใต้น้ำถูกเทออก นี่คืออุปกรณ์ที่รู้จักกันดีเรียกว่ากาลักน้ำ หากวางถังด้านข้างไว้สูงกว่าปลายท่อ น้ำจะไหลผ่านอย่างต่อเนื่องในอัตราที่กำหนดโดยความแตกต่างของระดับน้ำในถังและส่วนปลายของท่อ ไม่มีอะไรน่าแปลกใจที่นี่ แต่ถ้าคุณไม่ทราบเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของถังที่อยู่อีกด้านหนึ่งของกำแพง และเห็นเพียงท่อที่น้ำไหลจากที่สูงมากๆ ความจริงข้อนี้ดูเหมือนจะขัดแย้งกับคุณไม่ได้ น้ำไหลจากที่สูงมากและในขณะเดียวกันก็ไม่สะสมพลังงานที่สอดคล้องกับความสูงของท่อ อย่างไรก็ตาม คำอธิบายในกรณีนี้ชัดเจน
เรามีปรากฏการณ์ที่คล้ายกันในแกนกลาง ชาร์จจากตำแหน่งปกติ อาขึ้นสู่สภาวะที่มีพลังมากขึ้น วีแต่ไปไม่ถึงยอดบาเรียเลย กับ(รูปที่ 6)
จากรัฐ วีอนุภาคแอลฟาที่ผ่านแนวกั้นเริ่มผลักออกจากแกนกลางไม่ใช่จากด้านบนสุด กับและจากความสูงของพลังงานที่ต่ำกว่า บี 1... ดังนั้นเมื่อออกไปข้างนอก พลังงานที่สะสมโดยอนุภาคจะไม่ขึ้นกับความสูง กับและจากความสูงที่น้อยกว่าเท่ากับ บี 1(รูปที่ 7)
การให้เหตุผลเชิงคุณภาพนี้สามารถสวมใส่ในรูปแบบเชิงปริมาณและให้กฎที่กำหนดความน่าจะเป็นของการผ่านของสิ่งกีดขวางโดยอนุภาคอัลฟาขึ้นอยู่กับพลังงาน วีซึ่งมีอยู่ในนิวเคลียสและด้วยเหตุนี้จากพลังงานที่มันจะได้รับเมื่อออกจากอะตอม
ด้วยความช่วยเหลือจากการทดลองหลายครั้ง จึงมีการกำหนดกฎง่ายๆ ขึ้นซึ่งเชื่อมโยงจำนวนอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตภาพรังสีกับพลังงานหรือความเร็ว แต่ความหมายของกฎหมายนี้ไม่สามารถเข้าใจได้อย่างสมบูรณ์
ความสำเร็จครั้งแรกของ Gamow มาจากความจริงที่ว่ากฎเชิงปริมาณของการปล่อยอนุภาคแอลฟาเป็นไปตามทฤษฎีของเขาค่อนข้างแม่นยำและเป็นธรรมชาติ ตอนนี้ "อุปสรรคด้านพลังงานของ Gamow" และการตีความคลื่นเป็นพื้นฐานของแนวคิดทั้งหมดของเราเกี่ยวกับแกนกลาง
คุณสมบัติของรังสีอัลฟานั้นอธิบายได้ดีในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณโดยทฤษฎีของ Gamow แต่เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสารกัมมันตภาพรังสียังปล่อยรังสีเบตาซึ่งเป็นกระแสของอิเล็กตรอนเร็ว แบบจำลองนี้ไม่สามารถอธิบายการปล่อยอิเล็กตรอนได้ นี่เป็นหนึ่งในความขัดแย้งที่ร้ายแรงที่สุดในทฤษฎีของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ยังไม่ได้รับการแก้ไข
โครงสร้างของนิวเคลียส
ตอนนี้เราหันมาพิจารณาสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียส
เมื่อ 100 กว่าปีที่แล้ว Proth ได้แสดงความคิดที่ว่าบางที องค์ประกอบของตารางธาตุไม่ได้แยกจากกัน รูปแบบของสสารที่ไม่สัมพันธ์กัน แต่เป็นการรวมตัวของอะตอมไฮโดรเจนที่แตกต่างกันเท่านั้น หากเป็นเช่นนี้ เราอาจคาดได้ว่าไม่เพียงแต่ประจุของนิวเคลียสทั้งหมดจะเป็นทวีคูณของประจุไฮโดรเจนเท่านั้น แต่มวลของนิวเคลียสทั้งหมดยังแสดงเป็นทวีคูณทั้งหมดของมวลของนิวเคลียสของไฮโดรเจน กล่าวคือ อะตอมทั้งหมด น้ำหนักจะต้องแสดงเป็นจำนวนเต็ม ที่จริงแล้ว ถ้าคุณดูตารางน้ำหนักอะตอม คุณจะเห็นจำนวนเต็มจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนเท่ากับ 12 พอดี ไนโตรเจนเท่ากับ 14 พอดี ออกซิเจนเท่ากับ 16 พอดี ฟลูออรีนเท่ากับ 19 นั่นเอง แน่นอนว่านี่ไม่ใช่อุบัติเหตุ แต่ก็ยังมีน้ำหนักอะตอมที่ห่างไกลจากจำนวนเต็ม ตัวอย่างเช่น นีออนมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 20.2 คลอรีน - 35.46 ดังนั้น สมมติฐานของ Prout ยังคงเป็นการคาดเดาบางส่วนและไม่สามารถกลายเป็นทฤษฎีโครงสร้างของอะตอมได้ จากการศึกษาพฤติกรรมของไอออนที่มีประจุ เป็นเรื่องง่ายโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่จะศึกษาคุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอมโดยกระทำกับพวกมัน เช่น ด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
วิธีการที่อิงจากสิ่งนี้ซึ่งนำไปสู่ความแม่นยำที่สูงมากโดย Aston ทำให้สามารถระบุได้ว่าองค์ประกอบทั้งหมดที่มีน้ำหนักอะตอมไม่ได้แสดงเป็นจำนวนเต็มอันที่จริงแล้วไม่ใช่สารที่เป็นเนื้อเดียวกัน แต่เป็นส่วนผสมของสองตัวหรือมากกว่า - 3 , 4, 9 - อะตอมประเภทต่างๆ ตัวอย่างเช่น น้ำหนักอะตอมของคลอรีนเท่ากับ 35.46 อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ามีอะตอมของคลอรีนหลายประเภท มีอะตอมของคลอรีนที่มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 35 และ 37 และคลอรีนทั้งสองชนิดนี้ผสมกันในสัดส่วนที่น้ำหนักอะตอมเฉลี่ยอยู่ที่ 35.46 ปรากฎว่าไม่เพียงแต่ในกรณีนี้เท่านั้น แต่ในทุกกรณีโดยไม่มีข้อยกเว้น โดยที่น้ำหนักอะตอมไม่ได้แสดงเป็นจำนวนเต็ม เรามีส่วนผสมของไอโซโทป นั่นคือ อะตอมที่มีประจุเท่ากัน ดังนั้นจึงเป็นตัวแทนขององค์ประกอบเดียวกันแต่มีความแตกต่างกัน ฝูง อะตอมแต่ละประเภทมีน้ำหนักอะตอมทั้งหมดเสมอ
ดังนั้น สมมติฐานของ Prout จึงได้รับการสนับสนุนที่สำคัญในทันที และคำถามก็สามารถแก้ไขได้ หากไม่ใช่เพราะข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียว นั่นคือ ไฮโดรเจนเอง ความจริงก็คือว่าระบบน้ำหนักอะตอมของเราไม่ได้สร้างขึ้นจากไฮโดรเจนซึ่งถือเป็นหน่วย แต่ในน้ำหนักอะตอมของออกซิเจนซึ่งตามอัตภาพจะถือว่าเท่ากับ 16 เมื่อเทียบกับน้ำหนักนี้ น้ำหนักอะตอมจะแสดงออกมาเกือบแน่นอน จำนวนทั้งหมด. แต่ไฮโดรเจนเองในระบบนี้มีน้ำหนักอะตอมไม่ใช่หนึ่งเดียว แต่ค่อนข้างมากกว่าคือ 1.0078 ตัวเลขนี้แตกต่างจากความสามัคคีค่อนข้างมาก - 3/4% ซึ่งเกินข้อผิดพลาดที่เป็นไปได้ทั้งหมดในการกำหนดน้ำหนักอะตอม
ปรากฎว่าออกซิเจนยังมีไอโซโทป 3 ตัว นอกเหนือจากไอโซโทปที่เด่นกว่าซึ่งมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 16 อีกอันมีน้ำหนักอะตอม 17 และหนึ่งในสามที่มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 18 หากเราระบุน้ำหนักอะตอมทั้งหมดเป็นไอโซโทป 16 น้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนจะยังคงมากกว่าหนึ่งเล็กน้อย จากนั้นจึงพบไอโซโทปที่สองของไฮโดรเจน - ไฮโดรเจนที่มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 2 - ดิวเทอเรียมตามที่ชาวอเมริกันที่ค้นพบเรียกมันว่าหรือ diplogen ตามที่ชาวอังกฤษเรียกมันว่า มีเพียงประมาณ 1/6000 ของดิวเทอเรียมที่ผสมกัน ดังนั้นการมีอยู่ของสิ่งเจือปนนี้จึงมีผลเพียงเล็กน้อยต่อน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจน
ถัดจากไฮโดรเจน ฮีเลียมมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 4.002 หากประกอบด้วยไฮโดรเจน 4 ตัว น้ำหนักอะตอมจะต้องเท่ากับ 4.031 อย่างชัดเจน ดังนั้น ในกรณีนี้ น้ำหนักอะตอมจะสูญเสียไปบางส่วน กล่าวคือ 4.031 - 4.002 = 0.029 เป็นไปได้ไหม? จนกว่าเราจะพิจารณามวลเป็นหน่วยวัดของสสาร แน่นอน สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ นั่นหมายความว่าส่วนหนึ่งของสสารหายไป
แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพกำหนดขึ้นด้วยความมั่นใจว่ามวลไม่ใช่ตัววัดปริมาณของสสาร แต่เป็นตัววัดพลังงานที่สสารนี้มีอยู่ สสารไม่ได้วัดด้วยมวล แต่ด้วยจำนวนประจุที่ประกอบเป็นสสารนี้ ประจุเหล่านี้อาจมีพลังงานมากหรือน้อย เมื่อประจุที่เหมือนกันเข้าหากัน พลังงานจะเพิ่มขึ้น เมื่อเคลื่อนที่ออกไป พลังงานจะลดลง แต่นี่แน่นอนไม่ได้หมายความว่าเรื่องจะเปลี่ยนไป
เมื่อเราบอกว่าน้ำหนักอะตอม 0.029 หายไปจาก 4 ไฮโดรเจนในระหว่างการก่อตัวของฮีเลียม หมายความว่าพลังงานที่สอดคล้องกับค่านี้หายไป เรารู้ว่าสสารทุกกรัมมีพลังงานเท่ากับ 9 10 20 เอิร์ก เมื่อสร้างฮีเลียม 4 กรัม พลังงาน 0.029 จะหายไป 9 . 10 20 เอิร์ก เนื่องจากพลังงานที่ลดลงนี้ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวจะรวมกันเป็นนิวเคลียสใหม่ พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกสู่พื้นที่โดยรอบ และการเชื่อมต่อที่มีพลังงานและมวลน้อยกว่าเล็กน้อยจะยังคงอยู่ ดังนั้น หากไม่ได้วัดน้ำหนักอะตอมอย่างแม่นยำ ด้วยจำนวนเต็ม 4 หรือ 1 แต่ 4.002 และ 1.0078 ก็นับว่าเป็นหนึ่งในพันที่ได้รับความหมายพิเศษ เพราะเป็นตัวกำหนดพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส
ยิ่งมีการปล่อยพลังงานมากขึ้นในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส กล่าวคือ ยิ่งการสูญเสียน้ำหนักอะตอมมากเท่าใด นิวเคลียสก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งนิวเคลียสของฮีเลียมนั้นแข็งแกร่งมากเพราะในระหว่างการก่อตัวพลังงานจะถูกปล่อยออกมาซึ่งสอดคล้องกับการสูญเสียน้ำหนักอะตอม - 0.029 นี่เป็นพลังงานที่ใหญ่มาก ในการตัดสิน เป็นการดีที่สุดที่จะจำอัตราส่วนง่ายๆ นี้: หนึ่งในพันของน้ำหนักอะตอมเท่ากับประมาณ 1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ 0.029 เท่ากับ 29 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ เพื่อทำลายนิวเคลียสของฮีเลียม เพื่อที่จะสลายกลับเป็นไฮโดรเจน 4 ตัว จำเป็นต้องใช้พลังงานมหาศาล นิวเคลียสไม่ได้รับพลังงานดังกล่าว ดังนั้นนิวเคลียสของฮีเลียมจึงมีความเสถียรอย่างยิ่ง ดังนั้นจึงมาจากนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่ไม่ปล่อยนิวเคลียสของไฮโดรเจน แต่นิวเคลียสของฮีเลียมทั้งหมด อนุภาคแอลฟา การพิจารณาเหล่านี้นำเราไปสู่การประเมินพลังงานปรมาณูใหม่ เรารู้อยู่แล้วว่าพลังงานของอะตอมเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส และยิ่งไปกว่านั้น พลังงานยังมีมหาศาล สาร 1 กรัม ถ้าแปลเป็นภาษาที่สื่อความหมายได้มากกว่า พลังงานที่ได้จากการเผาไหม้น้ำมัน 10 รถไฟ 100 เกวียน ด้วยเหตุนี้ แกนกลางจึงเป็นแหล่งพลังงานที่ยอดเยี่ยมอย่างยิ่ง เปรียบเทียบ 1 ก. กับ 10 ขบวน - นี่คืออัตราส่วนของความเข้มข้นของพลังงานในแกนกลางเมื่อเทียบกับพลังงานที่เราใช้ในเทคโนโลยีของเรา
อย่างไรก็ตาม หากคุณคิดถึงข้อเท็จจริงที่เรากำลังพิจารณาอยู่ ในทางกลับกัน คุณสามารถมองไปยังมุมมองที่ตรงกันข้ามกับเคอร์เนลโดยสิ้นเชิง จากมุมมองนี้ นิวเคลียสไม่ได้เป็นแหล่งพลังงาน แต่เป็นสุสานของมัน: นิวเคลียสเป็นสารตกค้างหลังจากปล่อยพลังงานจำนวนมาก และในนั้นเรามีสถานะพลังงานต่ำที่สุด
ดังนั้น หากเราสามารถพูดถึงความเป็นไปได้ของการใช้พลังงานของนิวเคลียส ในแง่ที่ว่าบางทีอาจไม่ใช่นิวเคลียสทั้งหมดที่มีพลังงานต่ำมาก ท้ายที่สุด ไฮโดรเจนและฮีเลียมต่างก็มีอยู่ในธรรมชาติ และด้วยเหตุนี้ ไม่ใช่ไฮโดรเจนทั้งหมดที่รวมกันเป็นฮีเลียม แม้ว่าฮีเลียมจะมีพลังงานน้อยกว่าก็ตาม หากเราสามารถรวมไฮโดรเจนที่มีอยู่เป็นฮีเลียมได้ เราก็จะได้รับพลังงานจำนวนหนึ่ง นี่ไม่ใช่รถไฟ 10 ขบวนที่มีน้ำมัน แต่ก็ยังมีรถบรรทุกน้ำมันประมาณ 10 ขบวน และมันก็ไม่เลวเลยหากเป็นไปได้ที่จะได้รับพลังงานจากสาร 1 กรัมมากเท่ากับการเผาน้ำมัน 10 เกวียน
นี่เป็นพลังงานสำรองที่เป็นไปได้ในระหว่างการปรับโครงสร้างนิวเคลียส แต่แน่นอนว่าความเป็นไปได้นั้นยังห่างไกลจากความเป็นจริง
โอกาสเหล่านี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร? เพื่อประเมินสิ่งเหล่านี้ ให้เราพิจารณาองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม
ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่าในนิวเคลียสทั้งหมดมีนิวเคลียสไฮโดรเจนที่เป็นบวกซึ่งเรียกว่าโปรตอนมีหน่วยน้ำหนักอะตอม (แม่นยำกว่า 1.0078) และประจุบวกเป็นหน่วย แต่นิวเคลียสไม่สามารถประกอบด้วยโปรตอนเพียงอย่างเดียว ยกตัวอย่างเช่น ธาตุที่หนักที่สุดซึ่งครองอันดับที่ 92 ในตารางธาตุ - ยูเรเนียมที่มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 238 หากเราคิดว่าทั้ง 238 หน่วยนี้ประกอบด้วยโปรตอน ยูเรเนียมจะมีประจุ 238 ประจุ ในขณะที่มีเพียง 92. ดังนั้นจึงไม่มีประจุอนุภาคทั้งหมดที่นั่น หรือมีอิเล็กตรอนเชิงลบ 146 ตัว นอกเหนือจากโปรตอน 238 ตัว จากนั้นทุกอย่างถูกต้อง: น้ำหนักอะตอมจะเท่ากับ 238 ประจุบวก 238 และประจุลบ 146 ดังนั้นประจุทั้งหมด 92 แต่เราได้กำหนดไว้แล้วว่าข้อสันนิษฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนในนิวเคลียสไม่สอดคล้องกับความคิดของเรา: ทั้งขนาดหรือคุณสมบัติแม่เหล็กของอิเล็กตรอนในเคอร์เนลไม่สามารถวางได้ ยังคงมีความขัดแย้งอยู่บ้าง
การค้นพบนิวตรอน
ความขัดแย้งนี้ถูกทำลายโดยข้อเท็จจริงจากการทดลองใหม่ ซึ่งถูกค้นพบเมื่อประมาณสองปีที่แล้วโดย Irene Curie และ Joliot สามีของเธอ (Irena Curie เป็นลูกสาวของ Marie Curie ผู้ค้นพบเรเดียม) Irena Curie และ Joliot ค้นพบว่าเมื่อเบริลเลียม (องค์ประกอบที่สี่ของตารางธาตุ) ถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟา เบริลเลียมจะปล่อยรังสีแปลก ๆ ออกมาซึ่งทะลุผ่านชั้นสสารขนาดใหญ่ ดูเหมือนว่าเนื่องจากพวกมันแทรกซึมผ่านสารได้ง่ายมาก พวกเขาไม่ควรก่อให้เกิดการกระทำที่สำคัญใดๆ ที่นั่น มิฉะนั้น พลังงานของพวกมันจะหมดลงและพวกมันจะไม่แทรกซึมผ่านสาร ในทางกลับกัน ปรากฎว่ารังสีเหล่านี้ซึ่งชนกับนิวเคลียสของอะตอมบางส่วน โยนมันทิ้งไปด้วยแรงมหาศาล ราวกับว่าถูกกระทบจากอนุภาคหนัก ดังนั้น ในแง่หนึ่ง เราต้องคิดว่ารังสีเหล่านี้เป็นนิวเคลียสที่หนัก และในทางกลับกัน พวกมันสามารถทะลุผ่านชั้นขนาดใหญ่ได้โดยไม่ต้องใช้อิทธิพลใดๆ
วิธีแก้ปัญหาความขัดแย้งนี้พบได้ในความจริงที่ว่าอนุภาคนี้ไม่มีประจุ หากอนุภาคไม่มีประจุไฟฟ้า มันก็จะไม่มีอะไรทำกับอนุภาคนั้น และตัวมันเองก็จะไม่ทำอะไรเลย เมื่อมันกระทบนิวเคลียสที่ใดที่หนึ่งในการเคลื่อนที่ของมัน มันก็จะโยนมันทิ้งไป
ดังนั้นอนุภาคที่ไม่มีประจุใหม่จึงปรากฏขึ้น - นิวตรอน ปรากฎว่ามวลของอนุภาคนี้มีค่าใกล้เคียงกับมวลของอนุภาคไฮโดรเจน - 1.0065 (น้อยกว่าโปรตอนหนึ่งในพัน ดังนั้นพลังงานของมันคือประมาณ 1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์น้อยกว่า) อนุภาคนี้คล้ายกับโปรตอน แต่ไม่มีประจุบวกเท่านั้น เป็นกลางเรียกว่า นิวตรอน
ทันทีที่การมีอยู่ของนิวตรอนชัดเจน แนวคิดที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสก็ถูกเสนอ มันถูกแสดงออกครั้งแรกโดย D. D. Ivanenko และจากนั้นก็พัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดย Geisenberg ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปีที่แล้ว นิวเคลียสสามารถประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน สันนิษฐานได้ว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น จากนั้นโครงสร้างทั้งหมดของระบบธาตุจะถูกนำเสนอในรูปแบบที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ค่อนข้างง่าย ตัวอย่างเช่น เราควรจินตนาการถึงยูเรเนียมอย่างไร? น้ำหนักอะตอมของมันคือ 238 นั่นคือมี 238 อนุภาค แต่บางส่วนเป็นโปรตอน บางตัวเป็นนิวตรอน โปรตอนแต่ละตัวมีประจุบวก นิวตรอนไม่มีประจุเลย ถ้าประจุของยูเรเนียมเท่ากับ 92 แสดงว่า 92 เป็นโปรตอน ส่วนอย่างอื่นคือนิวตรอน แนวคิดนี้ได้นำไปสู่ความสำเร็จที่โดดเด่นหลายอย่างแล้ว โดยทันทีได้อธิบายคุณสมบัติจำนวนหนึ่งของตารางธาตุ ซึ่งก่อนหน้านี้ดูลึกลับโดยสิ้นเชิง เมื่อมีโปรตอนและนิวตรอนเพียงเล็กน้อย ตามแนวคิดสมัยใหม่ของกลศาสตร์คลื่น เราควรคาดหวังว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสจะเท่ากัน มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มีประจุ และจำนวนโปรตอนจะให้เลขอะตอม และน้ำหนักอะตอมของธาตุคือผลรวมของน้ำหนักของโปรตอนและนิวตรอน เพราะทั้งคู่มีหน่วยของน้ำหนักอะตอม บนพื้นฐานนี้ เราสามารถพูดได้ว่าเลขอะตอมเป็นครึ่งหนึ่งของน้ำหนักอะตอม
ตอนนี้ยังคงมีปัญหาอยู่อย่างหนึ่ง ความขัดแย้งอย่างหนึ่ง นี่คือความขัดแย้งที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคเบต้า
เปิด POSITRON
เราได้ข้อสรุปว่าไม่มีสิ่งใดในนิวเคลียสยกเว้นโปรตอนที่มีประจุบวก แต่แล้วอิเล็กตรอนเชิงลบจะถูกขับออกจากนิวเคลียสได้อย่างไรหากไม่มีประจุลบเลย? อย่างที่คุณเห็น เราอยู่ในสถานะที่ยากลำบาก
อีกครั้ง ข้อเท็จจริงการทดลองใหม่ การค้นพบใหม่ อนุมานจากมัน การค้นพบนี้อาจเป็นครั้งแรกโดย DV Skobeltsyn ผู้ซึ่งศึกษารังสีคอสมิกมายาวนานพบว่าในบรรดาประจุที่ปล่อยรังสีคอสมิกออกมา ยังมีอนุภาคแสงที่เป็นบวกอยู่ด้วย แต่การค้นพบนี้ขัดกับทุกสิ่งที่แน่วแน่มากจน Skobeltsyn ไม่ได้ตีความข้อสังเกตของเขาในตอนแรก
คนต่อไปที่ค้นพบปรากฏการณ์นี้คือ Andersen นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันในพาซาดีนา (แคลิฟอร์เนีย) และหลังจากเขาในอังกฤษในห้องทดลองของรัทเธอร์ฟอร์ด Blackett เหล่านี้เป็นอิเล็กตรอนบวกหรือที่เรียกว่าโพซิตรอนไม่ค่อยดี ว่าพวกมันเป็นอิเล็กตรอนบวกจริง ๆ สามารถมองเห็นได้ง่ายที่สุดจากพฤติกรรมของพวกมันในสนามแม่เหล็ก ในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนจะถูกเบี่ยงเบนไปในทิศทางหนึ่ง และโพซิตรอนในอีกทางหนึ่ง และทิศทางของการโก่งตัวของอิเล็กตรอนจะเป็นตัวกำหนดสัญญาณของพวกมัน
ในขั้นต้น โพซิตรอนถูกสังเกตได้เฉพาะในระหว่างการผ่านของรังสีคอสมิก เมื่อไม่นานมานี้ Irena Curie และ Joliot คนเดียวกันได้ค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ที่น่าทึ่ง ปรากฎว่ามีกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ที่นิวเคลียสของอะลูมิเนียม โบรอน แมกนีเซียม ซึ่งตัวมันเองไม่มีกัมมันตภาพรังสี เมื่อถูกโจมตีด้วยรังสีอัลฟาจะกลายเป็นกัมมันตภาพรังสี เป็นเวลา 2 ถึง 14 นาที พวกมันจะปล่อยอนุภาคออกมาด้วยตัวเอง และอนุภาคเหล่านี้ไม่ใช่รังสีอัลฟาและเบตาอีกต่อไป แต่เป็นโพซิตรอน
ทฤษฎีโพซิตรอนถูกสร้างขึ้นเร็วกว่าตัวโพซิตรอนมาก Dirac มอบหมายงานให้สมการของกลศาสตร์คลื่นในรูปแบบที่พวกเขาจะตอบสนองทฤษฎีสัมพัทธภาพ
อย่างไรก็ตาม สมการ Dirac เหล่านี้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่แปลกประหลาดมาก มวลเข้าสู่พวกมันอย่างสมมาตร นั่นคือ เมื่อเครื่องหมายของมวลเปลี่ยนไปในทางตรงข้าม สมการจะไม่เปลี่ยนแปลง ความสมมาตรของสมการมวลนี้ทำให้ Dirac สามารถทำนายความเป็นไปได้ของอิเล็กตรอนบวกได้
ในเวลานั้นไม่มีใครสังเกตเห็นอิเล็กตรอนบวก และมีความเชื่อที่มั่นคงว่าไม่มีอิเล็กตรอนบวก (เราสามารถตัดสินสิ่งนี้ได้ด้วยความระมัดระวังที่ Skobeltsyn และ Andersen เข้าหาปัญหานี้) ดังนั้นทฤษฎีของ Dirac จึงถูกปฏิเสธ อีกสองปีต่อมาพบอิเล็กตรอนบวกจริง ๆ และโดยธรรมชาติแล้วพวกเขาจำเกี่ยวกับทฤษฎีของ Dirac ซึ่งทำนายลักษณะที่ปรากฏของพวกเขา
"การทำให้เป็นวัตถุ" และ "การทำลายล้าง"
ทฤษฎีนี้เกี่ยวข้องกับการตีความที่เปราะบางซึ่งขยายขอบเขตจากทุกด้านมากเกินไป ฉันต้องการที่นี่เพื่อวิเคราะห์กระบวนการของการเป็นรูปเป็นร่างซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามความคิดริเริ่มของมาดามกูรี - ลักษณะที่ปรากฏเมื่อรังสีแกมมาผ่านสสารพร้อมกันของอิเล็กตรอนบวกและลบคู่หนึ่ง ข้อเท็จจริงจากการทดลองนี้ถูกตีความว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสองอนุภาคของสสาร ซึ่งไม่เคยมีมาก่อน ความจริงข้อนี้จึงถูกตีความว่าเป็นการสร้างและการหายไปของสสารภายใต้อิทธิพลของรังสีอื่นๆ เหล่านั้น
แต่ถ้าเราพิจารณาอย่างละเอียดถี่ถ้วนถึงสิ่งที่เราสังเกตเห็นจริง ๆ จะเป็นง่ายที่จะเห็นว่าการตีความลักษณะของคู่นั้นไม่มีพื้นฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งงานของ Skobeltsyn แสดงให้เห็นชัดเจนว่าการปรากฏตัวของประจุคู่หนึ่งภายใต้อิทธิพลของรังสีแกมมาไม่เกิดขึ้นเลยในที่ว่าง การปรากฏตัวของคู่มักจะสังเกตได้เฉพาะในอะตอมเท่านั้น ดังนั้น ในที่นี้ เราไม่ได้จัดการกับการสร้างพลังงานให้เป็นรูปเป็นร่าง ไม่ใช่กับการปรากฏตัวของสสารใหม่บางอย่าง แต่เฉพาะกับการแยกประจุภายในสสารที่มีอยู่แล้วในอะตอมเท่านั้น เธออยู่ที่ไหน ต้องคิดว่ากระบวนการแยกประจุบวกและประจุลบนั้นเกิดขึ้นไม่ไกลจากนิวเคลียสภายในอะตอม แต่ไม่อยู่ภายในนิวเคลียส (ที่ระยะห่างค่อนข้างไม่มากนัก 10 -10 -10 -11 ซม. ในขณะที่รัศมีของ นิวเคลียสคือ 10 -12 -10 -13 ซม. )
สามารถพูดได้เช่นเดียวกันเกี่ยวกับกระบวนการย้อนกลับของ "การทำลายล้างของสสาร" - การรวมกันของอิเล็กตรอนเชิงลบและบวกกับการปล่อยพลังงานหนึ่งล้านอิเล็กตรอนโวลต์ในรูปแบบของรังสีแกมมาแม่เหล็กไฟฟ้าสองควอน และกระบวนการนี้มักเกิดขึ้นในอะตอมเสมอ เห็นได้ชัดว่าอยู่ใกล้นิวเคลียส
ที่นี่เรามาถึงความเป็นไปได้ในการแก้ไขความขัดแย้งที่เราได้กล่าวไปแล้วซึ่งนำไปสู่การปล่อยรังสีเบตาของอิเล็กตรอนเชิงลบโดยนิวเคลียสซึ่งอย่างที่เราคิดไม่มีอิเล็กตรอน
เห็นได้ชัดว่าอนุภาคบีตาไม่ได้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียส แต่เกิดจากนิวเคลียส เนื่องจากการปล่อยพลังงานภายในนิวเคลียส กระบวนการของการแยกออกเป็นประจุบวกและประจุลบเกิดขึ้นใกล้ ๆ และประจุลบจะถูกโยนทิ้งไป และประจุบวกจะถูกดึงเข้าไปในนิวเคลียสและจับกับนิวตรอน ก่อตัวเป็นค่าบวก โปรตอน. นี่เป็นข้อสมมติที่เพิ่งแสดงออกมาเมื่อเร็วๆ นี้
นี่คือสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม
บทสรุป
โดยสรุป มาพูดสองสามคำเกี่ยวกับแนวโน้มในอนาคต
หากในการศึกษาอะตอม เราได้บรรลุถึงขอบเขตที่กำหนด ซึ่งเกินกว่าที่การเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณได้ส่งผ่านไปยังคุณสมบัติเชิงคุณภาพใหม่ แล้วที่ขอบเขตของนิวเคลียสของอะตอม กฎของกลศาสตร์คลื่นที่เราค้นพบในเปลือกอะตอมจะหยุดทำงาน ในแกนกลางนั้น รูปทรงที่ยังคงคลุมเครือมากของทฤษฎีใหม่ที่กว้างกว่านั้น ซึ่งสัมพันธ์กับกลไกของคลื่นที่เป็นเพียงด้านหนึ่งของปรากฏการณ์เท่านั้น กำลังเริ่มที่จะสัมผัสได้ อีกด้านเริ่มเปิดเผยแล้ว - และ เริ่มต้นด้วยความขัดแย้งเช่นเคย
การทำงานกับนิวเคลียสของอะตอมยังมีอีกด้านที่น่าสงสัยมาก ซึ่งเกี่ยวพันอย่างใกล้ชิดกับการพัฒนาเทคโนโลยี แกนกลางได้รับการปกป้องอย่างดีจากสิ่งกีดขวาง Gamow จากอิทธิพลภายนอก ถ้าเราไม่ได้จำกัดตัวเองให้สังเกตการสลายของนิวเคลียสในกระบวนการกัมมันตภาพรังสี เราต้องการเจาะทะลุจากภายนอกสู่นิวเคลียส และสร้างใหม่ขึ้นมาใหม่ การดำเนินการนี้ก็จะต้องได้รับแรงกระแทกอย่างแรงกล้า
ปัญหาของแกนกลางอย่างไม่หยุดยั้งนั้นต้องการการพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มเติม โดยเปลี่ยนจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เทคโนโลยีไฟฟ้าแรงสูงแล้ว จากแรงดันไฟฟ้าหลายแสนโวลต์เป็นหลายล้านโวลต์ เวทีใหม่กำลังถูกสร้างขึ้นในเทคโนโลยี ขณะนี้งานเกี่ยวกับการสร้างแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าใหม่เป็นล้านโวลต์กำลังดำเนินการในทุกประเทศ - ทั้งในและต่างประเทศโดยเฉพาะในห้องปฏิบัติการ Kharkov ซึ่งเป็นคนแรกที่เริ่มงานนี้และในสถาบันเลนินกราด ฟิสิกส์และเทคโนโลยี และที่อื่นๆ
ปัญหานิวเคลียร์เป็นปัญหาเร่งด่วนที่สุดปัญหาหนึ่งในยุคของเราในด้านฟิสิกส์ เราต้องทำงานด้วยความเข้มข้นและความอุตสาหะอย่างยิ่ง และในงานนี้ เราต้องมีความกล้าในการคิดมาก ในการนำเสนอของฉัน ฉันได้ชี้ให้เห็นหลายกรณีเมื่อเราผ่านไปยังมาตราส่วนใหม่ เราเชื่อว่านิสัยเชิงตรรกะของเรา ความคิดทั้งหมดของเรา ซึ่งสร้างขึ้นจากประสบการณ์ที่จำกัด ไม่เหมาะสำหรับปรากฏการณ์ใหม่และมาตราส่วนใหม่ จำเป็นต้องเอาชนะลัทธิอนุรักษ์นิยมสามัญสำนึกซึ่งมีอยู่ในเราแต่ละคน สามัญสำนึกเป็นประสบการณ์ที่เข้มข้นของอดีต ประสบการณ์นี้ไม่สามารถคาดหวังให้โอบรับอนาคตได้อย่างเต็มที่ ในภูมิภาคของนิวเคลียส มากกว่าในภูมิภาคอื่น ๆ เราต้องคำนึงถึงความเป็นไปได้ของคุณสมบัติเชิงคุณภาพใหม่และไม่ต้องกลัวพวกมัน สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าพลังของวิธีการวิภาษวิธีซึ่งปราศจากการอนุรักษ์ของวิธีการที่ทำนายหลักสูตรทั้งหมดของการพัฒนาฟิสิกส์สมัยใหม่ควรปรากฏขึ้น แน่นอนว่าฉันไม่เข้าใจวิธีการวิภาษวิธีรวบรวมวลีที่นำมาจากเองเกลส์ ไม่ใช่คำพูดของเขา แต่ควรถ่ายทอดความหมายไปยังงานของเรา วิธีการวิภาษวิธีเดียวเท่านั้นที่สามารถขับเคลื่อนเราไปข้างหน้าในพื้นที่ใหม่และขั้นสูงอย่างสมบูรณ์เช่นปัญหาของแกนกลาง
ด้วยวิธีการลงทะเบียนกัมมันตภาพรังสีแบบใหม่ทำให้สามารถศึกษาปรากฏการณ์ใหม่ ๆ ที่ก่อนหน้านี้ไม่ได้ให้ความสำคัญกับการวิจัยและโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อพยายามตอบคำถามว่านิวเคลียสของอะตอมทำงานอย่างไร เพื่อตอบคำถามนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดตัดสินใจใช้การชนกันของอนุภาค α กับนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีเบา
โดยการทิ้งระเบิดอะตอมไฮโดรเจนด้วยอนุภาคแอลฟา รัทเธอร์ฟอร์ดค้นพบว่าอะตอมของไฮโดรเจนที่เป็นกลางถูกแปลงเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก รัทเทอร์ฟอร์ดรู้ว่าอะตอมที่เบาที่สุดของตารางธาตุคือไฮโดรเจนประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกเพียงตัวเดียวและอิเล็กตรอน ดังนั้น เมื่อชนกับอะตอมของไฮโดรเจน อนุภาค α จะเข้าใกล้นิวเคลียสของไฮโดรเจนมากพอและถ่ายเทพลังงานและโมเมนตัมบางส่วนไปยังอนุภาคนั้น รัทเทอร์ฟอร์ดเรียกอะตอมของอนุภาค H ที่มีประจุบวกเหล่านี้ ต่อมาได้มีการตั้งชื่อ "โปรตอน" ขึ้นข้างหลังพวกเขา ในเวลาเดียวกัน รัทเทอร์ฟอร์ดยอมรับว่าปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคแอลฟาและนิวเคลียสของไฮโดรเจนไม่เป็นไปตามกฎการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาโดยนิวเคลียสทองคำที่ค้นพบก่อนหน้านี้ เมื่ออนุภาค α เข้าใกล้นิวเคลียสของไฮโดรเจน แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาค α และนิวเคลียสของไฮโดรเจนก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด 1920:“ในกรณีของอะตอมที่มีประจุนิวเคลียร์จำนวนมาก แม้แต่อนุภาค α ที่เร็วที่สุดก็ไม่สามารถเจาะเข้าไปในโครงสร้างหลักของนิวเคลียสได้ ดังนั้นเราจึงสามารถประมาณขนาดสูงสุดของอนุภาคได้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีของอะตอมเบา เมื่อประจุนิวเคลียร์มีขนาดเล็ก ในการชนกันโดยตรง อนุภาค α จะเข้าใกล้นิวเคลียสมากจนเราสามารถประมาณขนาดของมันและสร้างแนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับแรงกระทำได้ กรณีนี้จะเห็นได้ดีที่สุดในกรณีที่อนุภาค α ชนกันโดยตรงกับอะตอมไฮโดรเจน ในกรณีนี้ H-atom เคลื่อนที่เร็วมากจนเคลื่อนที่ได้ไกลกว่าอนุภาค α ที่ชนกันสี่เท่า และสามารถตรวจจับได้ด้วยการเรืองแสงวาบที่เกิดขึ้นบนตะแกรงสังกะสีซัลไฟด์ ... ฉันได้แสดงให้เห็นว่าการเรืองแสงวาบเหล่านี้เกิดจาก โดยอะตอมของไฮโดรเจนที่มีประจุบวกเพียงตัวเดียว ... ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนและความเร็วของอะตอม H เหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากที่คาดไว้หากอนุภาค α และ H-atom ถูกพิจารณาว่าเป็นประจุแบบจุด จากการชนกับอนุภาค α ที่รวดเร็ว ได้อะตอม H ซึ่งบินด้วยความเร็วเกือบเท่ากันในทิศทางของอนุภาค α ตกกระทบ จากนี้สรุปได้ว่ากฎของสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะทางจะไร้ผลเมื่อนิวเคลียสเข้าหากันที่ระยะห่างน้อยกว่า 3· 10 -13 ซม. นี่เป็นข้อบ่งชี้ว่านิวเคลียสอยู่ในลำดับความสำคัญนี้ และแรงระหว่างนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมากในขนาดและทิศทางที่ระยะทางเทียบได้กับขนาดที่ยอมรับกันโดยทั่วไปของเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กตรอน ชี้ให้เห็นว่าในการชนกันอย่างใกล้ชิดเช่นนี้ แรงมหาศาลก่อตัวขึ้นระหว่างนิวเคลียส และเป็นไปได้ว่า ในระหว่างการชน โครงสร้างของนิวเคลียสเกิดการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ ความจริงที่ว่านิวเคลียสของฮีเลียมซึ่งสันนิษฐานได้ว่าประกอบด้วยอะตอม H สี่ตัวและอิเล็กตรอนสองตัวสามารถทนต่อการชนกันนี้เป็นเครื่องยืนยันถึงความเสถียรสูงสุดของโครงสร้าง "
จากการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค α กับอะตอมไฮโดรเจน โปรตอนถูกค้นพบ - นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน รัทเทอร์ฟอร์ดทำการทดลองต่อไปเพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค α กับอะตอมของแสง และในปี 1919 เขาค้นพบว่าเมื่ออะตอมไนโตรเจนถูกฉายรังสีด้วยอนุภาค α โปรตอนจะถูกปล่อยออกมาจากอะตอม ดังนั้นโปรตอนจึงเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม แต่ในกรณีนี้ ภายใต้การกระทำของอนุภาค α การเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจนควรเกิดขึ้น ประจุของมันควรลดลงหนึ่ง - นิวเคลียสของไนโตรเจนควรเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสออกซิเจน
เป็นครั้งแรกที่รัทเธอร์ฟอร์ดทำในสิ่งที่นักเล่นแร่แปรธาตุไม่สามารถทำได้มานานหลายศตวรรษ - เขาแปลงธาตุเคมีหนึ่งให้กลายเป็นธาตุอื่น
ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า รัทเทอร์ฟอร์ดและนักเรียนของเขาได้ทำการเปลี่ยนแปลงโดยประดิษฐ์ของธาตุเคมีเบาประมาณ 10 ชนิด ได้แก่ โบรอน ฟลูออรีน ลิเธียม โซเดียม ฟอสฟอรัส และอื่นๆ
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด: “อะตอมของธาตุแสงหลายชนิดถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟาจำนวนมาก หลังจากทำการทดลองเหล่านี้แล้ว ในปี 1919 ฉันได้รับหลักฐานการทดลองว่าอะตอมไนโตรเจนจำนวนเล็กน้อยสลายตัวระหว่างการทิ้งระเบิด ปล่อยนิวเคลียสของไฮโดรเจนอย่างรวดเร็ว ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อโปรตอน ...
มีอนุภาคแอลฟาเพียงตัวเดียวจาก 50,000 อนุภาคที่เข้าใกล้นิวเคลียสมากพอที่จะจับมันได้ ...
ในบทความก่อนหน้านี้ loc. ฉันได้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในการชนกันอย่างใกล้ชิดของอนุภาค α เร็วกับอะตอมของสสารเบา เพื่อตรวจสอบว่านิวเคลียสของอะตอมเบาบางตัวสามารถถูกสลายตัวภายใต้อิทธิพลของแรงมหาศาลที่ก่อตัวในการชนกันอย่างใกล้ชิดเช่นนั้นหรือไม่ ในบทความเหล่านี้ มีหลักฐานว่าเมื่ออนุภาค a ผ่านไนโตรเจนแห้ง อนุภาคจะเร็วปรากฏขึ้น ซึ่งชวนให้นึกถึงความสว่างของประกายไฟอย่างมาก และระยะการเจาะทะลุของอะตอมไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของการชนกับอนุภาคแอลฟา นอกจากนี้ ยังแสดงให้เห็นอีกว่าอะตอมเร็วเหล่านี้ ซึ่งปรากฏเฉพาะในไนโตรเจนแห้ง แต่ไม่ใช่ในออกซิเจนหรือในกรดคาร์บอนิก ไม่สามารถเกิดจากการมีอยู่ของไอน้ำหรือสารอื่นๆ ที่มีไฮโดรเจน แต่จะต้องเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคแอลฟาชนกับ อะตอมไนโตรเจน ...
ในงานก่อนหน้านี้ ฉันแสดงให้เห็นว่าอนุภาคระยะไกลที่สังเกตได้ในอากาศแห้งและในไนโตรเจนบริสุทธิ์ต้องเกิดขึ้นจากอะตอมของไนโตรเจนเอง ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าอะตอมไนโตรเจนบางส่วนถูกทำลายจากการชนกับอนุภาค α ที่รวดเร็ว และในกรณีนี้จะเกิดอะตอมที่รวดเร็วของไฮโดรเจนที่มีประจุบวก ดังนั้น เราต้องสรุปว่าอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุเป็นหนึ่งในองค์ประกอบของนิวเคลียสไนโตรเจน”
14 ยังไม่มีข้อความ (α, p) 17 อู๋
รังสีเอกซ์ รังสีจากร่างกายที่เกิดจากการชนกันของรังสี α กับอะตอมของแสง รังสีของไฮโดรเจนที่มีการศึกษามากที่สุดคือรังสีของไฮโดรเจน เนื่องจากรังสีเหล่านี้มีพลังทะลุทะลวงมากที่สุด รังสีเหล่านี้เกิดจากอะตอมของไฮโดรเจนที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป กล่าวคือ โปรตอน พวกมันถูกกำหนดโดยสัญลักษณ์ H ... ในการสังเกตรังสี H ในตอนแรก เราใช้คุณสมบัติร่วมกันของพวกมันกับรังสี α เพื่อทำให้เป็นประกายบนหน้าจอด้วยฟิล์มซิงค์ซัลไฟด์ ... ซึ่งมักใช้กับแหล่งกำเนิดโดยตรง
เอ็ม คูรี. "กัมมันตภาพรังสี. รังสีของไฮโดรเจนและอะตอมของแสงอื่น ๆ "
การเติมไนโตรเจนในห้องนั้น รัทเทอร์ฟอร์ดสังเกตว่าเมื่อกดจุดหนึ่ง แสงวาบส่วนใหญ่หายไป สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อรังสี α ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีใช้พลังงานทั้งหมดในการสร้างไอออไนซ์ในอากาศและไปไม่ถึงหน้าจอ แต่การเรืองแสงวาบที่เหลือบ่งชี้ว่ามีรังสี H จำนวนน้อยมากซึ่งมีช่วงที่มากกว่าที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดหลายเท่า หากเราใช้ก๊าซอื่นแทนไนโตรเจน เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือออกซิเจน การเรืองแสงวาบที่ตกค้างดังกล่าวจะไม่ปรากฏขึ้น คำอธิบายเดียวคือมาจากไนโตรเจน เนื่องจากพลังงานของรังสี H ที่เหลือมีมากกว่าพลังงานปฐมภูมิ พวกมันสามารถปรากฏขึ้นได้ก็ต่อเมื่อนิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจนสลายตัวเท่านั้น ดังนั้นการสลายตัวของไนโตรเจนจึงได้รับการพิสูจน์และปัญหาของการเล่นแร่แปรธาตุได้รับการแก้ไขโดยพื้นฐาน
ป.ล. กปิสสา. "ความทรงจำของศาสตราจารย์อี. รัทเทอร์ฟอร์ด"
2462 อี. รัทเทอร์ฟอร์ด. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ 14 ยังไม่มีข้อความ (α, p) 17 อู๋
ภาพถ่ายในห้องวิลสันที่มีร่องรอยของอนุภาค α ในไนโตรเจน
การค้นพบการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของอะตอมได้ฟื้นแนวคิดการเล่นแร่แปรธาตุในการแปลงธาตุหนึ่งเป็นธาตุอื่น จนถึงปี พ.ศ. 2473 มีการทดลองในลักษณะนี้หลายครั้งเป็นเวลาหลายทศวรรษ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยวิธีอาร์คโวลตาอิก แต่การเปลี่ยนแปลงที่ถูกกล่าวหาเหล่านี้ไม่ได้ต่อต้านการวิจารณ์ การเปลี่ยนแปลงนี้ทำได้สำเร็จดังที่เราทราบในขณะนี้ โดยวิธีการรวมความเข้มข้นของพลังงานที่ต้องการบนอะตอมแต่ละตัวเมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยอะตอมอื่นหรือ γ-quanta แต่ถึงแม้จะมีการทดลองเหล่านี้ ในตอนเริ่มต้น (1907) ก็ยังมีผลลัพธ์ที่ผิดพลาด การเปลี่ยนแปลงอะตอมที่เกิดขึ้นจริงครั้งแรกประสบความสำเร็จในปี พ.ศ. 2462 โดยรัทเทอร์ฟอร์ด เขาฉายรังสีไนโตรเจนด้วยอนุภาค α และรับโปรตอนที่มีพิสัยไกล ภาพถ่ายของปรากฏการณ์นี้ในห้อง Wilson ที่ถ่ายโดย P. Blackett แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนพร้อมกับร่องรอยโปรตอนอันยาวไกล ร่องรอยสั้นๆ ของไอโซโทปออกซิเจนที่มีน้ำหนักอะตอม 17 ในช่วงระหว่างปี 1921 ถึง 1924 Rutherford และ Chadwick สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของปฏิกิริยานี้ - การดูดกลืนอนุภาคαและการปล่อยโปรตอน - สำหรับองค์ประกอบทั้งหมดตั้งแต่โบรอน (ลำดับ 5) ไปจนถึงโพแทสเซียม (อันดับ 19) ยกเว้นคาร์บอนและออกซิเจน นอกจากโปรตอนแล้ว ปฏิกิริยาเหล่านี้ยังสร้างองค์ประกอบที่อยู่ถัดไปในตารางธาตุอย่างต่อเนื่อง
M. Laue "ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์"
หลังจากค้นพบโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมแล้ว รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอแบบจำลองโปรตอน-อิเล็กตรอนของนิวเคลียส โปรตอนกำหนดมวลของนิวเคลียสของอะตอม และอิเล็กตรอนชดเชยประจุไฟฟ้าของโปรตอนบางส่วน ซึ่งนำไปสู่ค่าประจุนิวเคลียร์ที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น เชื่อกันว่านิวเคลียสที่มีประจุ +2e ประกอบด้วยโปรตอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว อาร์กิวเมนต์ที่สำคัญที่สนับสนุนโมเดลโปรตอน - อิเล็กตรอนคือการสลายตัว β ของนิวเคลียสอะตอม ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ง่าย ๆ หากเราคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม แบบจำลองโปรตอน - อิเล็กตรอนของนิวเคลียสพบกับการคัดค้านบางประการ ซึ่งประเด็นหลักก็คือ มันไม่สามารถอธิบายความสำคัญของการหมุนรอบของนิวเคลียสของอะตอมได้ อย่างไรก็ตาม มันยังคงอยู่จนกระทั่งมีการค้นพบนิวตรอนในปี 1932
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด 1920:“จากการศึกษากัมมันตภาพรังสีเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่านิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีประกอบด้วยนิวเคลียสฮีเลียมบางส่วนที่มีประจุ 2e นอกจากนี้ เรามีเหตุร้ายแรงที่เชื่อได้ว่านิวเคลียสของอะตอม พร้อมด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก ยังมีอิเล็กตรอนอยู่ด้วย และประจุบวกของนิวเคลียสสอดคล้องกับประจุบวกทั้งหมดที่เกินประจุลบ เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตบทบาทที่แตกต่างกันมากของอิเล็กตรอนภายนอกและภายในอะตอม ในกรณีแรก พวกมันจะอยู่ห่างจากนิวเคลียสซึ่งถูกกำหนดโดยประจุนิวเคลียร์และปฏิกิริยาของสนามของมันอย่างไม่ต้องสงสัย ภายในนิวเคลียส อิเล็กตรอนสร้างความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นและแน่นแฟ้นกับหน่วยที่มีประจุบวก และเท่าที่เราทราบ อิเล็กตรอนอยู่นอกนิวเคลียสว่าอยู่ในสถานะไม่เสถียร ไม่ต้องสงสัยเลยว่าอิเล็กตรอนภายนอกแต่ละตัวมีปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสเป็นประจุแบบจุด ในขณะที่สิ่งนี้ไม่สามารถพูดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนภายในได้ เห็นได้ชัดว่าอิเล็กตรอนภายในมีรูปร่างผิดปกติอย่างมากภายใต้อิทธิพลของแรงมหาศาล และแรงในกรณีนี้อาจแตกต่างไปจากแรงที่คาดหวังได้จากอิเล็กตรอนที่มีรูปร่างไม่ปกติ เช่น ภายนอกนิวเคลียส บางทีนั่นอาจเป็นสาเหตุที่ทำให้อิเล็กตรอนสามารถมีบทบาทที่แตกต่างกันในทั้งสองกรณีนี้ และแม้กระทั่งสร้างระบบที่เสถียร "
อภิปรายเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2472 มีการอภิปรายกันที่ราชสมาคมแห่งลอนดอนเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอม ด้านล่างนี้เป็นสุนทรพจน์โดย E. Rutherford, J. Chadwick และ R. Fowler
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด:
“ตอนนี้เราสามารถสร้างภาพการสร้างนิวเคลียสของอะตอมแบบค่อยเป็นค่อยไปได้แล้ว ในองค์ประกอบเบา นิวเคลียสอาจประกอบด้วยอนุภาค α โปรตอนและอิเล็กตรอนรวมกัน และการแยกส่วนต่าง ๆ ของนิวเคลียสดึงดูดกันอย่างรุนแรง ส่วนหนึ่งเกิดจากการรบกวน ส่วนหนึ่งเกิดจากแรงแม่เหล็ก สำหรับตอนนี้ เราสร้างได้เพียงสิ่งนี้หรือสมมุติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของกองกำลังเหล่านี้ อย่างแรกเลย นิวเคลียสที่มีความเข้มข้นและจับกันแน่นจะก่อตัวขึ้น และกระบวนการนี้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงาน สำหรับมวลอะตอมประมาณ 120 เรามีมวลที่เล็กที่สุดซึ่งหมายถึงการเชื่อมต่อที่ใกล้เคียงที่สุด เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นอีก อนุภาคที่เพิ่มเข้ามาจะกลายเป็นพันธะที่แน่นแฟ้นน้อยลง
ดังนั้น จึงสรุปได้ว่าแกนกลางมีโครงสร้างที่หนาแน่นมากใกล้กับศูนย์กลาง และความหนาแน่นจะค่อยๆ ลดลงตามระยะห่างจากศูนย์กลาง ระบบทั้งหมดนี้ล้อมรอบด้วยเกราะป้องกันแรง ซึ่งมักจะป้องกันการหลบหนีของอนุภาคแอลฟา มันอาจจะดีกว่าที่มุมมองคงที่นี้ไม่ชอบเพื่อนตามทฤษฎีของฉันที่ต้องการนำเสนออนุภาค α ด้วยเสรีภาพในการเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์ภายในนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม มุมมองนี้ค่อนข้างถูกต้องตามกฎหมายและสอดคล้องกับแนวคิดที่ฉันได้สรุปไว้ทั้งหมด กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าเราสามารถถ่ายภาพจากเคอร์เนลได้ - ที่ประมาณ 10 -28
วินาที - เราจะเห็นที่จุดศูนย์กลาง อย่างที่มันเป็น อนุภาค α ที่มีพันธะแน่นและแน่นหนา และความหนาแน่นจะลดลงตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้นจากศูนย์กลาง อนุภาค α ทั้งหมดเคลื่อนที่โดยไม่ต้องสงสัย และคลื่นของพวกมันสะท้อนจากแนวกั้นแรง และบางครั้งทะลุผ่านระบบ สำหรับฉันแล้ว ดูเหมือนว่ามุมมองที่ฉันพัฒนาขึ้นนั้นสมเหตุสมผลอย่างสมบูรณ์ และฉันหวังว่าเพื่อนในเชิงทฤษฎีของเราจะสามารถอธิบายภาพรวมทั้งหมดได้อย่างละเอียดยิ่งขึ้น เราต้องไม่เพียงแค่อธิบายการสร้างนิวเคลียสจากอนุภาค α เท่านั้น เรายังต้องหาที่สำหรับอิเล็กตรอนด้วย และมันไม่ง่ายเลยที่จะล็อคอิเล็กตรอนในเซลล์เดียวด้วยอนุภาค α อย่างไรก็ตาม ฉันมั่นใจในความเฉลียวฉลาดของเพื่อนทฤษฎีของเรามากจนฉันเชื่อมั่นอย่างแน่วแน่ว่าพวกเขาจะผ่านความยากลำบากนี้ไปได้
มุมมองที่ฉันสรุปไว้จะอธิบายได้ว่าทำไมอะตอมของยูเรเนียมหนักจึงไม่สามารถดำรงอยู่ได้ ด้วยมวลที่เพิ่มขึ้น นิวเคลียสจะได้รับพลังงานมากขึ้นและกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีที่จะหายไป เห็นได้ชัดว่า ยิ่งนิวเคลียสมีพลังงานมากเท่าไหร่ พวกมันก็จะยิ่งหายไปเร็วเท่านั้น และคงไม่ใช่โอกาสที่ยูเรเนียมและทอเรียมจะเป็นเพียงตัวแทนของนิวเคลียสหนักที่ยังหลงเหลืออยู่ นี่ไม่ใช่สถานที่ที่จะสัมผัสกับคำถามที่เก็งกำไรอย่างมากว่านิวเคลียสขององค์ประกอบเกิดขึ้นได้อย่างไร ก่อนที่จะแก้ปัญหานี้ เราจำเป็นต้องรู้ให้มากขึ้นเกี่ยวกับรายละเอียดของโครงสร้างของคอร์นั่นเอง "
เจ. แชดวิก: “เมื่อองค์ประกอบบางอย่างถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟา นิวเคลียสของไฮโดรเจน หรือโปรตอน จะถูกกระแทกออกจากพวกมัน ซึ่งสามารถตรวจจับได้ด้วยการเรืองแสงวาบที่พวกมันทำให้เกิดบนตะแกรงสังกะสีซัลไฟด์ โปรตอนเหล่านี้เป็นผลมาจากการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุเหล่านี้ เราเชื่อว่าการสลายตัวของนิวเคลียสเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคแอลฟาเข้าสู่นิวเคลียสและถูกกักไว้ที่นั่น ส่งผลให้โปรตอนหนีออกมา โอกาสที่การสลายตัวจะต่ำ ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่ดี เมื่อมีการทิ้งระเบิดไนโตรเจน 20 นิวเคลียสจะสลายตัวทุกๆ 10 6 อนุภาคแอลฟา เนื่องจากเอฟเฟกต์นี้หายาก และเนื่องจากความยากในการทดลองต่างๆ ข้อมูลที่เราได้รับมาจนถึงตอนนี้ยังค่อนข้างน้อย ยกเว้นคาร์บอนและออกซิเจน ทุกองค์ประกอบตั้งแต่โบรอนไปจนถึงโพแทสเซียม ถูกย่อยสลายเมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟาและปล่อยโปรตอนด้วยพลังงานที่สำคัญ ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสขององค์ประกอบเหล่านี้ทั้งหมดประกอบด้วยโปรตอน คาร์บอนและออกซิเจน ถ้าพวกมันสลายตัวเลย อย่าปล่อยอนุภาคที่มีพลังงานมากกว่าพลังงานของอนุภาคแอลฟาที่กระจัดกระจาย เป็นไปได้ว่าพวกมันสลายตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม แต่ยังไม่มีหลักฐานสำหรับเรื่องนี้ โปรตอนบางตัวที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวโดยประดิษฐ์มีพลังงานสูงมาก ตัวอย่างเช่น พลังงานของโปรตอนที่ถูกผลักออกจากอลูมิเนียมโดยอนุภาคเรเดียม G นั้นสูงกว่าพลังงาน 40% ที่ส่งผลกระทบต่ออนุภาค α ดังนั้น ในบางกรณี พลังงานจะถูกปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัว พฤติกรรมของธาตุเลขคี่และเลขคู่มีความแตกต่างกันอย่างมาก โปรตอนที่ปล่อยออกมาจากธาตุคี่มีพลังงานสูงสุดที่สูงกว่าโปรตอนจากธาตุคู่ ในการขยายตัวซึ่งประกอบด้วยการดักจับอนุภาค α และการปล่อยโปรตอนเท่านั้น องค์ประกอบที่มีเลขคี่จะส่งต่อไปยังองค์ประกอบที่มีเลขคู่ และในทางกลับกัน เมื่อพิจารณาถึงพฤติกรรมที่แตกต่างกันของธาตุคู่และธาตุคี่ เช่นเดียวกับความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ในธรรมชาติและมวลอะตอมของพวกมัน เราสามารถสรุปได้ว่าธาตุคู่นั้นมีความเสถียรมากกว่าธาตุคี่ "
อาร์ ฟาวเลอร์:
“ฉันอยากจะบอกคุณว่าทฤษฎีควอนตัมใหม่สามารถช่วยเราในการอภิปรายเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของนิวเคลียสได้อย่างไร ประเด็นนี้ได้รับการสรุปโดยประธานในการกล่าวเปิดงานแล้ว ฉันอยากจะพัฒนามันบ้าง สิ่งแรกที่ต้องคำนึงถึงคือกลศาสตร์ควอนตัมแบบใหม่ได้พัฒนาขึ้นในลักษณะที่เป็นตรรกะ โดยอิงตามคุณสมบัติของอิเล็กตรอนในอะตอม เราต้องถือว่าอนุภาคมีคุณสมบัติหลายอย่างของคลื่น การที่เราจะเรียกพวกมันว่าอนุภาคหรือคลื่นนั้นเป็นเรื่องของรสนิยม การเลือกชื่อ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแต่ละกรณีของสถานะ เนื่องจากอนุภาคเป็นเหมือนคลื่น เราควรคาดหวังไว้ ตัวอย่างเช่น อนุภาคเหล่านั้นจะไม่กระเด้งออกจากสิ่งกีดขวางที่มีความสูงระดับหนึ่งเสมอ แน่นอนพวกเขาสามารถผ่านสิ่งกีดขวางได้ในบางกรณีเท่านั้น ..
ความจริงที่ว่าอนุภาคสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางประเภทนี้ได้มีความสำคัญมากในการอธิบายปรากฏการณ์การปล่อยอนุภาคแอลฟาโดยนิวเคลียสหนัก
หากเราจินตนาการถึงนิวเคลียสดังที่เราได้กล่าวไปแล้วในที่นี้ ในรูปแบบของกล่องเล็กๆ ที่ล้อมรอบทุกด้าน (สามมิติ) ด้วยแรงกั้น เราก็สามารถสรุปได้ว่ามีอนุภาค α อยู่ภายใน ซึ่งจะต้อง นึกภาพเป็นคลื่น ซึ่งเป็นพลังงานที่น้อยกว่าพลังงานศักย์ของส่วนบนของสิ่งกีดขวาง ตามทฤษฎีคลาสสิก อนุภาคแอลฟาจะคงอยู่ภายในบาเรียตลอดไป แต่ตามทฤษฎีควอนตัม มีความน่าจะเป็นที่แน่นอนที่คลื่นจะทะลุผ่านกำแพงบางๆ และไปสู่อนันต์ แนวคิดนี้สนับสนุนทฤษฎีควอนตัมของการปล่อยอนุภาคแอลฟา แนวคิดนี้แสดงออกอย่างอิสระโดย Gamow - ในมือข้างหนึ่งและ Guerney และ Condon - ในอีกทางหนึ่ง พวกเขาทั้งหมดและโดยเฉพาะอย่างยิ่ง Gamow ได้พัฒนารายละเอียดบางอย่าง
เมื่ออนุภาค α ทะลุผ่านสิ่งกีดขวาง จะไม่สามารถระบุได้ด้วยคลื่นนิ่งอีกต่อไป จะถูกต้องในการแสดงอนุภาค α เป็นการสั่นแบบแดมเปอร์ เราจะเกิดการสั่นไหวภายในสิ่งกีดขวางนั่นคือ การสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การทำให้หมาด ๆ ปกติ และนอกคลื่นที่อ่อนแอมากซึ่งสอดคล้องกับการปล่อยอนุภาค α อันที่จริงปัญหานี้สามารถแก้ไขได้เป็นอย่างดีและได้ค่าสัมประสิทธิ์การหน่วงในรูปของส่วนจินตภาพของพลังงาน สำเร็จลุล่วงไปด้วยดีจาก Gamow
เขาพบว่าสำหรับการคำนวณเหล่านี้ ไม่สำคัญจริงๆ ว่าคุณคิดเห็นอย่างไรที่ด้านในของบาเรีย ส่วนนอกที่สำคัญของมันคือที่รู้จักกันดีจากการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา
ความน่าจะเป็นที่อนุภาค α จะทะลุผ่านสิ่งกีดขวางนั้นขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาค α อย่างมาก ยิ่งมีพลังงานมากเท่าใด บาเรียที่เธอต้องการจะผ่านยิ่งบางลงเท่านั้น และความสูงของบาเรียก็จะลดลง ดังนั้น เห็นได้ชัดว่า มีความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดกันมากระหว่างพลังงานของอนุภาค α ซึ่งเราตัดสินโดยพลังงานของอนุภาค α ที่ปล่อยออกมา และความน่าจะเป็นที่อนุภาค α นี้จะออกไป ซึ่งเราตัดสินโดย อายุการใช้งานของอะตอม นี่คือกฎหมายของไกเกอร์-เน็ตทอล
โดยสรุป จะบอกว่านี่เป็นทฤษฎีที่สวยงามมาก และเราแน่ใจได้เลยว่า "ในแง่ทั่วไปมันถูกต้อง ข้อดีที่ยิ่งใหญ่ของทฤษฎีนี้คือมันทำให้กฎของไกเกอร์-เน็ตตอลสมบูรณ์โดยไม่คำนึงถึงรายละเอียด ของโครงสร้างของนิวเคลียส”
เมื่อมีข้อมูลการทดลองใหม่เกี่ยวกับการหมุนรอบและโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสอะตอม ความยากลำบากของแบบจำลองโปรตอน-อิเล็กตรอนในการอธิบายคุณลักษณะเหล่านี้ของนิวเคลียสของอะตอมก็เพิ่มขึ้น สิ่งนี้ชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสิ่งที่เรียกว่า "ภัยพิบัติไนโตรเจน" สาระสำคัญของมันมีดังนี้ ตามแบบจำลองโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียส 14 นิวตันควรประกอบด้วย 14 โปรตอนและ 7 อิเล็กตรอน เนื่องจากทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอนมีค่าเฉพาะของการหมุน J = 1/2 การหมุนรวมของนิวเคลียส 14 N จึงควรมีค่าครึ่งจำนวนเต็ม ในขณะที่ค่าที่วัดได้ในการทดลองของการหมุนของนิวเคลียส J (14 N ) = 1 นอกจากนี้ยังมีตัวอย่างอื่นๆ ของความคลาดเคลื่อนในการทำนายแบบจำลองโปรตอนอิเล็กตรอนของนิวเคลียสกับผลการทดลอง ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสอะตอมทั้งหมดที่มีค่าเลขคู่ของเลขมวล A มีสปินเป็นศูนย์หรือเป็นจำนวนเต็ม J ในขณะที่แบบจำลองโปรตอน-อิเล็กตรอนของนิวเคลียสในกรณีส่วนใหญ่ทำนายการหมุนแบบครึ่งจำนวนเต็ม ค่าที่วัดได้ของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสนั้นน้อยกว่าที่คาดการณ์โดยแบบจำลองโปรตอน - อิเล็กตรอนของนิวเคลียสเกือบ 1,000 เท่า เป็นที่ชัดเจนว่าแบบจำลองโปรตอนอิเล็กตรอนของนิวเคลียสมีองค์ประกอบที่ไม่ถูกต้อง ความไม่สะดวกบางอย่างเกิดขึ้นจากอิเล็กตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสอะตอมที่มีปริมาตรจำกัด การดักอิเล็กตรอนในนิวเคลียสขัดแย้งกับหลักการความไม่แน่นอน ΔpΔx = ћ
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด 2475: “เรื่องนี้ถูกนำเสนอราวกับว่าอิเล็กตรอนภายในนิวเคลียสมีพฤติกรรมค่อนข้างแตกต่างจากอิเล็กตรอนที่บริเวณรอบนอกของอะตอม ความยากลำบากนี้สามารถสร้างขึ้นได้ด้วยตัวเอง เนื่องจากสำหรับฉันดูเหมือนว่ามีความเป็นไปได้มากกว่าที่อิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในสถานะอิสระในนิวเคลียสที่เสถียร แต่ต้องเกี่ยวข้องกับโปรตอนหรือหน่วยขนาดใหญ่อื่นๆ ที่เป็นไปได้เสมอ ในเรื่องนี้ ข้อบ่งชี้ของการมีอยู่ของนิวตรอนในนิวเคลียสบางตัวนั้นน่าทึ่งมาก การสังเกตของเบ็คว่าอิเล็กตรอนถูกเพิ่มเป็นคู่ในการสร้างธาตุหนักจากธาตุเบาเป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่ง และชี้ให้เห็นว่าสำหรับการก่อตัวของนิวเคลียสที่เสถียร จำเป็นต้องทำให้โมเมนต์แม่เหล็กขนาดใหญ่ของอิเล็กตรอนเป็นกลางโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ว่าหน่วยที่ไม่มีประจุของมวล 2 และนิวตรอนของมวล 1 เป็นหน่วยทุติยภูมิในโครงสร้างของนิวเคลียส”
ดังที่เหตุการณ์ต่อมาแสดงให้เห็น ความคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ว่าสถานะโปรตอนและอิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดอย่างแน่นหนาสามารถก่อตัวขึ้นได้นั้นผิดพลาด อย่างไรก็ตาม มันมีบทบาทสำคัญในการค้นพบนิวตรอน ในปี พ.ศ. 2473-2475 Bothe และ Becker พบว่าการฉายรังสีด้วยอนุภาค α ของเบริลเลียมบีทำให้เกิดรังสีที่เป็นกลางที่แทรกซึมได้สูง รังสีทั้งหมดที่ตรวจพบจนถึงขณะนี้ถูกดูดกลืนโดยชั้นบางๆ อย่างแรง ในขณะที่รังสีจากเบริลเลียมได้ผ่านไปอย่างอิสระผ่านเกราะตะกั่วแบบหนา เกิดความสงสัยขึ้นว่านี่คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบใหม่
การทดลองที่เด็ดขาดได้ดำเนินการในปี 1932 โดย Chadwick นักเรียนของ Rutherford โดยใช้ห้องไอออไนเซชัน เขาวัดพลังงานหดตัวของนิวเคลียสของไฮโดรเจนและไนโตรเจนภายใต้การกระทำของรังสีที่เป็นกลางจากเบริลเลียม และพบว่าเป็นผลมาจากปฏิกิริยา
เกิดอนุภาคที่เป็นกลางอย่างรวดเร็วซึ่งมีมวลประมาณเท่ากับมวลของอะตอมไฮโดรเจน อนุภาคเหล่านี้เรียกว่านิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า พวกมันผ่านอะตอมได้อย่างอิสระโดยไม่ทำให้เกิดไอออไนซ์ในเส้นทางของพวกมัน
เจ. แชดวิก 2475:
“เพิ่งค้นพบว่าการสลายตัวของธาตุเบริลเลียมและโบรอนเป็นที่สนใจเป็นพิเศษ Bothe และ Becker พบว่าธาตุเหล่านี้ซึ่งถูกโจมตีโดยอนุภาคแอลฟาของพอโลเนียม ปล่อยรังสีที่ทะลุทะลวงออกมา ซึ่งเห็นได้ชัดว่าเป็นประเภท γ หลายเดือนก่อน I. Curie-Joliot และ F. Joliot ได้ทำการสังเกตที่น่าทึ่งซึ่งแสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีนี้มีคุณสมบัติในการขับโปรตอนด้วยความเร็วสูงจากสสารที่มีไฮโดรเจน พวกเขาพบว่าโปรตอนที่ปล่อยออกมาจากรังสีเบริลเลียมมีความเร็วสูงถึง 3 ∙ 10 9
ซม. / วินาที Curie และ Joliot แนะนำว่าการขับโปรตอนนี้เกิดจากกระบวนการที่คล้ายกับเอฟเฟกต์คอมป์ตัน และสรุปว่าการแผ่รังสีของเบริลเลียมมีควอนตัมที่มีพลังงานประมาณ 50 ล้านโวลต์อิเล็กตรอน มีปัญหาสำคัญสองประการในการตั้งสมมติฐานนี้ ประการแรก เป็นที่ทราบกันดีว่าการกระเจิงของควอนตัมโดยอิเล็กตรอนนั้นอธิบายไว้อย่างดีโดยสูตรไคลน์-นิชิน และไม่มีเหตุผลใดที่จะสรุปได้ว่าอัตราส่วนที่คล้ายกันจะไม่ถูกต้องสำหรับการกระเจิงของโปรตอน อย่างไรก็ตาม การกระเจิงที่สังเกตพบนั้นมีขนาดใหญ่เกินไปเมื่อเทียบกับการคำนวณในสูตรไคลน์-นิชินา ประการที่สอง เป็นการยากที่จะเข้าใจการปล่อยควอนตัมของพลังงานสูงเช่นนี้ในระหว่างการเปลี่ยนรูป 9
เป็น + 4
ไม่ → 13
C + ควอนตัม ดังนั้นฉันจึงศึกษาคุณสมบัติของรังสีนี้โดยใช้ตัวนับพิเศษ พบว่าการแผ่รังสีไม่เพียงแต่ขับอนุภาคออกจากไฮโดรเจนเท่านั้น แต่จากฮีเลียม ลิเธียม เบริลเลียม ฯลฯ และน่าจะมาจากธาตุทั้งหมด ในทุกกรณี อนุภาคดูเหมือนจะเป็นอะตอมที่หดตัวขององค์ประกอบ เห็นได้ชัดว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะถือว่าการดีดออกของอนุภาคหดตัวเหล่านี้เกิดจากการชนกับควอนตัมการแผ่รังสี หากพลังงานและโมเมนตัมถูกอนุรักษ์ไว้ในระหว่างการกระทบ
สามารถหาคำอธิบายที่น่าพอใจของผลการทดลองได้หากเราคิดว่าการแผ่รังสีไม่ได้ประกอบด้วยควอนตัม แต่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวล 1 และประจุ 0 - นิวตรอน ในกรณีของธาตุทั้งสอง คือ ไฮโดรเจนและไนโตรเจน ช่วงของอะตอมที่หดตัวกลับถูกวัดด้วยระดับความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม และได้ค่าความเร็วสูงสุดของอะตอมจากสิ่งนี้ พวกเขากลายเป็นตามลำดับ 3.3 ∙ 10 9
ซม. / วินาที และ 4.7 ∙ 10 8
ซม. / วินาที ให้ M, V เป็นมวลและความเร็วของอนุภาคที่ประกอบเป็นรังสี จากนั้นความเร็วสูงสุดที่สามารถทำได้เมื่อชนกับนิวเคลียสของไฮโดรเจนจะเป็นดังนี้:
และสำหรับไนโตรเจน:
จากที่นี่:
,
ภายในขอบเขตของข้อผิดพลาดในการทดลอง M สามารถใช้เป็น 1 ได้ ดังนั้น:
V = 3.3 ∙ 10 9 ซม. / วินาที
เนื่องจากรังสีมีพลังงานทะลุทะลวงสูงมาก อนุภาคจึงต้องมีประจุที่เล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับประจุของอิเล็กตรอน ประจุนี้ถือว่าเป็น 0 และเราสามารถสรุปได้ว่านิวตรอนประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนในการรวมกันอย่างใกล้ชิด
หลักฐานที่มีอยู่สนับสนุนสมมติฐานนิวตรอนอย่างยิ่ง ในกรณีของเบริลเลียม กระบวนการแปลงที่ทำให้เกิดการปล่อยนิวตรอนคือ 9
เป็น + 4
เขา → 12
C + นิวตรอน สามารถแสดงให้เห็นว่าการสังเกตสอดคล้องกับความสัมพันธ์ของพลังงานในกระบวนการนี้ ในกรณีของโบรอน กระบวนการแปลงน่าจะเป็น 11
บี + 4
ไม่ → น 14
+
1
n; ในกรณีนี้มวลB 11
, ชม 4
อีและ 14
N เป็นที่รู้จักจากการวัดของ Aston พลังงานจลน์ของอนุภาคสามารถหาได้จากการทดลอง ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะได้ค่าประมาณมวลนิวตรอนอย่างใกล้ชิด มวลที่ได้คือ 1.0067 เมื่อคำนึงถึงข้อผิดพลาดในการวัดมวล เราควรคิดว่ามวลของนิวตรอนน่าจะอยู่ระหว่าง 1.005 ถึง 1.008 ค่าเหล่านี้สนับสนุนทัศนะที่ว่านิวตรอนเป็นการรวมกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน และให้พลังงานยึดเหนี่ยวของอนุภาคประมาณ 1-2 ∙ 10 6
โวลต์ ∙ อิเล็กตรอน
นิวตรอนสามารถแสดงเป็นไดโพลขนาดเล็กหรือดีกว่าเป็นโปรตอนที่ฝังอยู่ในอิเล็กตรอน ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง "รัศมี" ของนิวตรอนจะอยู่ระหว่าง 10 -13
ซม. และ 10 -12
ดู สนามของนิวตรอนควรมีขนาดเล็กมาก ยกเว้นในระยะใกล้มากและนิวตรอนที่ผ่านสารจะไม่ได้รับผลกระทบ ยกเว้นเมื่อเข้าสู่นิวเคลียสของอะตอมโดยตรง การวัดการเคลื่อนที่ของนิวตรอนผ่านสสารให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับมุมมองเหล่านี้ ดร. เฟเธอร์ทำการศึกษาการชนกันของนิวตรอนกับนิวเคลียสไนโตรเจนโดยใช้ห้องอัตโนมัติของ Wilson เขาพบว่านอกจากร่องรอยปกติของอะตอมไนโตรเจนที่หดตัวแล้ว ยังมีเส้นทางแตกแขนงอีกจำนวนมาก นี่เป็นผลมาจากการสลายตัวของนิวเคลียสไนโตรเจน ในบางกรณี นิวตรอนจะถูกดักจับ อนุภาคแอลฟาถูกปล่อยออกมาและเกิดนิวเคลียส B ขึ้น 11
... ในกรณีอื่นกลไกนี้ยังไม่ทราบแน่ชัด "
2475 เจ. แชดวิก. การค้นพบนิวตรอน
 |
 เจมส์ แชดวิก (1891 - 1974) |
“เช้าวันหนึ่ง ฉันอ่านจดหมายจาก Joliot-Curie ใน Comptes Rendus ซึ่งเขารายงานคุณสมบัติที่น่าทึ่งยิ่งกว่าของรังสีจากเบริลเลียม ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่โดดเด่นอย่างยิ่ง ไม่กี่นาทีต่อมา [Norman] Feather ก็เข้ามาในห้องของฉันเพื่อดึงความสนใจของฉันมาที่บทความนี้ ต่อมาในเช้าวันนั้น ฉันบอกรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวกับเธอ ตามประเพณีที่มีมาช้านาน ฉันต้องไปหาเขาตอนประมาณ 11 โมงและรายงานข่าวที่น่าสนใจ รวมทั้งหารือเกี่ยวกับสถานะการทำงานในห้องปฏิบัติการของเรา เมื่อฉันพูดถึงข้อสังเกตของ Joliot-Curie และการตีความของพวกเขา ฉันสังเกตเห็นความประหลาดใจที่เพิ่มขึ้นของ Rutherford; ในที่สุด ระเบิดก็ระเบิด: "ฉันไม่เชื่อ!" คำพูดที่ไม่อดทนเช่นนี้ไม่ได้อยู่ในจิตวิญญาณของรัทเธอร์ฟอร์ดโดยสิ้นเชิง ฉันไม่เคยจำกรณีเช่นนี้ได้ตลอดหลายปีที่ฉันร่วมมือกับเขา ฉันแค่ชี้ให้เห็นสิ่งนี้เพื่อเน้นถึงผลกระทบอันน่าตื่นเต้นของบทความของ Joliot-Curie แน่นอน รัทเทอร์ฟอร์ดรู้สึกตัวว่าเขาจะต้องเชื่อข้อสังเกตเหล่านี้ แต่การอธิบายสิ่งเหล่านี้เป็นคนละเรื่องโดยสิ้นเชิง
มันเกิดขึ้นมากจนฉันเพิ่งจะเริ่มการทดลองซึ่งฉันได้เตรียมแหล่งพอโลเนียมที่ยอดเยี่ยมจากวัสดุบัลติมอร์ (โดยใช้ท่อเรดอนที่เฟเธอร์นำกลับมา) ฉันเริ่มต้นโดยไม่มีอคติ แม้ว่าโดยธรรมชาติแล้ว ความคิดของฉันจะหมุนรอบนิวตรอน ฉันค่อนข้างแน่ใจว่าการสังเกตของ Joliot-Curie ไม่สามารถลดลงเป็นเอฟเฟกต์ประเภทคอมป์ตันได้ เนื่องจากฉันพยายามตรวจจับมากกว่าหนึ่งครั้ง ไม่ต้องสงสัยเลยว่ามันเป็นสิ่งใหม่และแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง การทำงานหนักสองสามวันก็เพียงพอที่จะแสดงให้เห็นว่าผลกระทบที่แปลกประหลาดเหล่านี้เกิดจากอนุภาคที่เป็นกลาง ฉันยังวัดมวลของมันได้ นิวตรอนที่ Rutherford สันนิษฐานไว้ในปี 1920 ในที่สุดก็อนุญาตให้ค้นพบตัวเองได้ "
2478 - เจ. แชดวิก
สำหรับการค้นพบนิวตรอน
นิวตรอน
เจ. แชดวิก
Bothe และ Becker แสดงให้เห็นว่าธาตุแสงบางชนิด ภายใต้อิทธิพลของการทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟาของพอโลเนียม ปล่อยรังสี ซึ่งเห็นได้ชัดว่ามีลักษณะของรังสีแกมมา ธาตุเบริลเลียมให้ผลที่เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษสำหรับประเภทนี้ และการสังเกตภายหลังของโบเธ ไอรีน คูรี-โจลิออต และเว็บสเตอร์ แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีที่ตื่นเต้นในเบริลเลียมมีกำลังการทะลุทะลวงที่มากกว่าการแผ่รังสี γ ใดๆ ที่รู้จักกันมาก่อน ธาตุกัมมันตภาพรังสี
เมื่อไม่นานมานี้ I. Curie-Joliot และ F. Joliot ได้ตั้งข้อสังเกตอย่างน่าทึ่งว่าการปล่อยเบริลเลียมและโบรอนเหล่านี้สามารถขับโปรตอนออกจากสารที่มีไฮโดรเจนได้ในอัตราที่มีนัยสำคัญ
ดังนั้นฉันจึงทำการทดลองเพิ่มเติมโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของการแผ่รังสีเบริลเลียม การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีของเบริลเลียมไม่เพียงขับอนุภาคออกจากไฮโดรเจนเท่านั้น แต่จากองค์ประกอบแสงทั้งหมดที่ศึกษาด้วย ผลการทดลองกลายเป็นเรื่องยากมากที่จะอธิบายจากมุมมองของสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติควอนตัมของการแผ่รังสีเบริลเลียม แต่ผลลัพธ์เหล่านี้ตามมาเป็นผลโดยตรง หากเราคิดว่าการแผ่รังสีเบริลเลียมประกอบด้วยอนุภาคที่มี มวลประมาณเท่ากับมวลของโปรตอนและไม่มีประจุที่มีประสิทธิภาพ กล่าวคือ จากนิวตรอน
จนถึงขณะนี้มีการสังเกตการปรากฏตัวของนิวตรอนก็ต่อเมื่อองค์ประกอบบางอย่างถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟา กระบวนการนี้สามารถแสดงเป็นการดักจับอนุภาค α โดยนิวเคลียสของอะตอม ควบคู่ไปกับการก่อตัวของนิวเคลียสใหม่และการปล่อยนิวตรอน ในเวลาเดียวกัน นิวเคลียสใหม่ต้องมีประจุสองหน่วย และมวลนั้นสูงกว่านิวเคลียสเดิมสามหน่วย "ผลผลิต" ของนิวตรอนมีขนาดเล็กมากและเทียบได้กับ "ผลผลิต" ของโปรตอนในระหว่างการแปลงร่างของธาตุซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของการทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคα เบริลเลียมมีผลมากที่สุด ซึ่งเห็นได้ชัดว่า "ผลผลิต" ถึง 30 นิวตรอนสำหรับอนุภาคพอโลเนียมทุกล้านอนุภาค α ทิ้งระเบิดเบริลเลียมเป็นชั้นหนา
จากการทิ้งระเบิดสารต่างๆ ด้วยอนุภาคแอลฟาของพอโลเนียม โบเธ่และเบกเกอร์พบว่าภายใต้สภาวะเหล่านี้ อะตอมของแสงบางอะตอมปล่อยรังสีอ่อนๆ ออกมา ซึ่งความสามารถในการทะลุทะลวงนั้นเกินความสามารถทะลุทะลวงของธาตุที่แข็งที่สุดγ - รังสีที่ปล่อยออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี (1930) ในตอนแรกปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกγ -รังสีอันเนื่องมาจากการกระตุ้นของนิวเคลียส ซึ่งอาจมาพร้อมกับการจับอนุภาค α ผลกระทบนี้มีความรุนแรงเป็นพิเศษในเบริลเลียม แต่ก็ยังพบเห็นได้ในระดับที่น้อยกว่าใน Li, B, F, Na, Mg, Al โดยใช้วิธีไอออไนเซชัน I. Curie และ F. Joliot ค้นพบคุณสมบัติใหม่ของรังสีทะลุทะลวงที่ปล่อยออกมาจากเบริลเลียมหรือโบรอน ปรากฎว่ารังสีเหล่านี้สามารถทำลายนิวเคลียสของแสงได้ ตัวอย่างเช่น โปรตอนจากสารที่มีไฮโดรเจนหรือนิวเคลียสฮีเลียม (1932) คุณสมบัติหลักของรังสีที่ค้นพบใหม่นี้เป็นสาเหตุของการดูดกลืน ... การมีอยู่ของปรากฏการณ์การขับอะตอมของแสงได้รับการยืนยันโดยวิธี Wilson ... ว่ารังสีที่ก่อให้เกิดการขับธาตุแสงนั้นγ -รังสี
แชดวิกแสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้อย่างน่าพอใจโดยสมมติว่ารังสีที่ทะลุทะลวงที่ปล่อยออกมาจาก Be หรือ B มีนิวตรอน - อนุภาคที่มีมวลอะตอมใกล้กับเอกภาพและมีประจุเป็นศูนย์ ซึ่งอาจประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งถูกผูกมัดอย่างใกล้ชิดกว่าใน อะตอมของไฮโดรเจน ... นิวตรอนเป็นรังสีชนิดใหม่
เอ็ม คูรี. "กัมมันตภาพรังสี. การกระตุ้นของรังสีที่ทะลุทะลวงในอะตอมของแสงโดยชนกับอนุภาคα”
ดี. อิวาเนนโก, 2475:“คำอธิบายของดร. เจ. แชดวิกเกี่ยวกับการแผ่รังสีเบริลเลียมลึกลับนั้นน่าสนใจมากสำหรับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี คำถามเกิดขึ้น: เป็นไปได้ไหมที่จะสรุปว่านิวตรอนมีบทบาทสำคัญในโครงสร้างของนิวเคลียส โดยพิจารณาว่าอิเล็กตรอนนิวเคลียร์ทั้งหมด "บรรจุ" ไว้ในอนุภาค α หรือนิวตรอน แน่นอน การไม่มีทฤษฎีของนิวเคลียสทำให้สมมติฐานนี้ห่างไกลจากขั้นสุดท้าย แต่บางทีมันอาจจะดูไม่น่าเชื่อนักหากเราจำได้ว่าอิเล็กตรอนที่เจาะเข้าไปในนิวเคลียสจะเปลี่ยนคุณสมบัติของพวกมันอย่างมีนัยสำคัญ - พวกมันสูญเสียดังนั้นเพื่อพูดความเป็นตัวของพวกมัน เช่น สปินและโมเมนต์แม่เหล็กของคุณ
สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือคำถามที่ว่านิวตรอนสามารถถือเป็นอนุภาคมูลฐานได้อย่างไร (บางอย่างที่คล้ายกับโปรตอนหรืออิเล็กตรอน) ง่ายต่อการคำนวณจำนวนอนุภาค α โปรตอน และนิวตรอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสแต่ละนิวเคลียส ดังนั้นจึงเข้าใจโมเมนตัมเชิงมุมของนิวเคลียส (สมมติว่าโมเมนตัมเชิงมุมของนิวตรอนเท่ากับ 1/2) เป็นที่สงสัยว่าในเบริลเลียมนิวเคลียสไม่มีโปรตอนอิสระ แต่มีเพียงอนุภาคαและนิวตรอนเท่านั้น "
นิวตรอนอิสระเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร ครึ่งชีวิต T 1/2 = 10.24 นาที นิวตรอนสลายตัวเป็นโปรตอน p อิเล็กตรอน e และอิเล็กตรอน antineutrino e ในสถานะผูกมัดในนิวเคลียส นิวตรอนสามารถคงตัวได้ จึงมีนิวเคลียสของอะตอมที่เสถียร
การค้นพบนิวตรอนเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม แบบจำลองโปรตอน-อิเล็กตรอนของนิวเคลียสอะตอมถูกแทนที่ด้วยแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียส ซึ่งพัฒนาขึ้นครั้งแรกอย่างอิสระในผลงานของ D. Ivanenko, V. Heisenberg
ข้อกำหนดหลักของแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสอะตอมคือนิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน จำนวนโปรตอน Z ในนิวเคลียสกำหนดประจุไฟฟ้าของนิวเคลียส จำนวนโปรตอนและนิวตรอน A = Z + N กำหนดมวลของนิวเคลียสของอะตอม
แบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้แก้ปัญหา "หายนะไนโตรเจน" ได้สำเร็จ ตามแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียส ไอโซโทปประกอบด้วยโปรตอน 7 ตัว และ 7 นิวตรอน เนื่องจากทั้งโปรตอนและนิวตรอนมีสปินของตัวเอง J = 1/2 สปินทั้งหมดของนิวเคลียสจึงต้องมีค่าเป็นจำนวนเต็มซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง พวกเขายังอธิบายค่าเล็กน้อยของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสของอะตอม - ตามลำดับของแมกนีโตนนิวเคลียร์หลายอัน หากอิเล็กตรอนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสจะต้องอยู่ในลำดับของแมกนีตรอนอิเล็กตรอนของบอร์ กล่าวคือ จะเกินค่าที่สังเกตได้ของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสเป็นพันเท่า
ดี. อิวาเนนโก, 2475: “สามารถนำนิวตรอนเข้าสู่นิวเคลียสได้สองวิธี: โดยไม่ต้องเปลี่ยนจำนวนอนุภาค α ที่ยอมรับในนิวเคลียสและทำให้เป็นกลางไม่เกินสามอิเล็กตรอน (Perrin และ Auger) หรือโดยการทำให้เป็นกลางอิเล็กตรอนทั้งหมด ในความคิดของฉัน วิธีแรกทำให้เกิดปัญหาเดียวกันกับค่าการหมุน ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเริ่มต้นด้วยองค์ประกอบบางอย่าง มีอิเลคตรอนภายในนิวเคลียร์มากเกินไป และการไม่มีสปินที่สอดคล้องกันในนิวเคลียสนั้นดูลึกลับอย่างยิ่ง ในทางตรงกันข้าม วิธีที่สองที่เราเสนอก่อนหน้านี้เล็กน้อย เห็นได้ชัดว่าช่วยให้เราเอาชนะความยากลำบากที่ระบุได้ เราจะไม่พิจารณาถึงข้อดีของวิธีการนี้เป็นภาพรวมของแนวคิดของเดอบรอกลีเกี่ยวกับการมีอยู่ของการเปรียบเทียบอย่างลึกซึ้งระหว่างแสงและสสาร อิเล็กตรอนในนิวเคลียสมีความคล้ายคลึงกับโฟตอนที่ถูกดูดซับในหลาย ๆ ด้าน และการปล่อยอนุภาค β โดยนิวเคลียสจะคล้ายกับการเกิดของอนุภาคใหม่ ซึ่งในสถานะดูดซับไม่มีความแตกต่างกัน ให้เราระบุโครงสร้างของนิวเคลียสคลอรีนตามมุมมองเก่า (I) และใหม่สองอัน - Perrin-Auget (II) และของเรา (III) [α หมายถึงอนุภาคα-p คือโปรตอน e คือ อิเล็กตรอน n คือนิวตรอน]:
37 Cl = 9α + 1p + 2e (ฉัน) , 37 Cl = 9α + 1n + 1e (II) , 37 Cl = 8α + 1p + 4n (III)
(ไอโซโทปของธาตุที่กำหนดให้ต่างกันในจำนวนนิวตรอนเท่านั้น)
เราถือว่านิวตรอนไม่ใช่ระบบของอิเล็กตรอนและโปรตอน แต่เป็นอนุภาคมูลฐาน สิ่งนี้บังคับให้เราปฏิบัติต่อนิวตรอนเป็นอนุภาคที่มีการหมุน 1/2 และปฏิบัติตามสถิติของ Fermi-Dirac ตัวอย่างเช่น เคอร์เนล 14
N (3α + 1p + 1n) ควรกำหนดสปิน 1 และนิวเคลียสของไนโตรเจนจะเป็นไปตามสถิติของ Bose-Einstein บัดนี้เริ่มชัดเจนขึ้นแล้ว เนื่องจาก 14
N ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 14 อนุภาค คือ เลขคู่ ไม่ใช่ 21 แบบแผนเก่า
สมมติฐานทั้งหมดเหล่านี้ไม่ว่าจะเบื้องต้นอย่างไรก็ตามดูเหมือนจะนำไปสู่มุมมองใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับแบบจำลองของนิวเคลียส "
วี. ไฮเซนเบิร์ก 2475:
“การทดลองของ Curie และ Joliot (เมื่อ Chadwick ตีความ) พบว่าอนุภาคพื้นฐานใหม่ - นิวตรอน - มีบทบาทสำคัญในโครงสร้างของนิวเคลียส นี่แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสของอะตอมถูกสร้างขึ้นจากโปรตอนและนิวตรอนโดยไม่มีการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอน หากสมมติฐานนี้ถูกต้อง จะทำให้ทฤษฎีโครงสร้างของนิวเคลียสง่ายขึ้นอย่างมาก ปัญหาหลักของทฤษฎีการสลายตัวของ β และสถิติของนิวเคลียสไนโตรเจนของอะตอมจะลดลงจนถึงคำถามที่ว่านิวตรอนสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนได้อย่างไร และเป็นไปตามสถิติอย่างไร จากนั้นโครงสร้างของนิวเคลียสสามารถอธิบายได้ตามกฎหมายของกลศาสตร์ควอนตัมเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตอนและนิวตรอน
ต่อไปนี้ เราจะถือว่านิวตรอนเป็นไปตามสถิติของ Fermi และมีการหมุน (1/2) สมมติฐานนี้จำเป็นต่อการอธิบายสถิติของนิวเคลียสไนโตรเจนและสอดคล้องกับค่าการทดลองของโมเมนต์นิวเคลียร์ หากนิวตรอนประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะต้องกำหนดสถิติของโบสและสปินเป็นศูนย์ ดูเหมือนว่าไม่เหมาะสมที่จะพิจารณาภาพดังกล่าวในรายละเอียดเพิ่มเติม
ในทางกลับกัน นิวตรอนควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นองค์ประกอบพื้นฐานอิสระของนิวเคลียส โดยพิจารณาว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ นิวตรอนสามารถสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนได้ และบางที กฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมอาจไม่นำมาใช้ สถานที่.
ในบรรดาปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดของอนุภาคมูลฐานที่ประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียส ก่อนอื่น ให้เราพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวตรอนกับโปรตอน เมื่อนิวตรอนและโปรตอนเข้าใกล้ระยะทางที่เทียบได้กับนิวเคลียร์ โดยเปรียบเทียบกับไอออน ตำแหน่งของประจุลบจะเปลี่ยนไปตามความถี่ที่กำหนดโดยฟังก์ชัน J (r) / h โดยที่ r คือระยะห่างระหว่าง อนุภาค ปริมาณ J (r) สอดคล้องกับอินทิกรัลการแลกเปลี่ยนหรือมากกว่ากับอินทิกรัลที่อธิบายการแลกเปลี่ยนพิกัดในทฤษฎีโมเลกุล การเปลี่ยนแปลงของสถานที่นี้สามารถมองเห็นได้ด้วยแนวคิดของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการหมุนและปฏิบัติตามสถิติของ Bose แต่น่าจะถูกต้องกว่าถ้าจะสรุปว่าอินทิกรัล J (r) อธิบายคุณสมบัติพื้นฐานของคู่นิวตรอน-โปรตอน ซึ่งไม่ลดลงเป็นการกระจัดของอิเล็กตรอน "
นิวเคลียสมีขนาดค่อนข้างแน่นอนไม่เหมือนกับเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม รัศมีของแกน R อธิบายโดยความสัมพันธ์
R = 1.3A 1/3 เอฟเอ็ม
นิวเคลียสของอะตอมมีมวลมากและมีประจุบวก ขนาดของนิวเคลียสของอะตอมมักจะวัดในหน่วยความยาวนอกระบบ - Fermi
1 เฟอร์มี = 10 -13 ซม.
แบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสอธิบายถึงการมีอยู่ของไอโซโทป ไอโซโทปเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่มีจำนวนโปรตอน Z เท่ากันและจำนวนนิวตรอน N ต่างกัน ปัจจุบันรู้จักไอโซโทปมากกว่า 3.5 พันไอโซโทป โดยปกติไอโซโทปจะแสดงบนไดอะแกรม NZ ของนิวเคลียสอะตอม เลขมวลของไอโซโทป A = N + Z
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด 2479: “นักวิจัยหลายคนประสบกับความยากลำบากที่น่าเหลือเชื่อและแทบจะผ่านไม่ได้ในการแยกวัตถุกัมมันตภาพรังสีบางตัว ซอดดี้สนใจปรากฏการณ์นี้เป็นอย่างมากและได้ค้นพบสารกัมมันตภาพรังสีหลายชนิดที่เขาไม่สามารถแยกออกได้ สารเหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงและมีคุณสมบัติกัมมันตภาพรังสีที่เป็นลักษณะเฉพาะ แต่ไม่สามารถแยกออกได้ด้วยการใช้สารเคมี นอกจากนี้เขายังให้ความสนใจกับความจริงที่ว่าไม่มีที่ว่างสำหรับธาตุกัมมันตภาพรังสีกลุ่มใหญ่ในตารางธาตุและแนะนำว่ามีธาตุที่แยกออกไม่ได้จากมุมมองทางเคมี แต่มีคุณสมบัติแตกต่างจากมุมมอง ของกัมมันตภาพรังสี ซอดดี้เรียกองค์ประกอบที่สอดคล้องกันของไอโซโทปชนิดนี้ และนี่คือจุดเริ่มต้นของการวิจัยขนาดใหญ่ ซึ่งแอสตันได้มีส่วนสนับสนุนอย่างมาก "
ขนาดเคอร์เนล
การกระจายเรเดียลของความหนาแน่นประจุในนิวเคลียสต่างๆ
R = 1.3A 1/3 เอฟเอ็ม,
เสื้อ = 4.4a = 2.5 เอฟเอ็ม
ขนาดแกนกลางและกฎแห่งแรง
อี. รัทเทอร์ฟอร์ด 2467:
“Beeler ได้ทำการศึกษากฎแรงกระทำอย่างละเอียดใกล้กับนิวเคลียสของแสง กล่าวคือ ใกล้กับนิวเคลียสอะลูมิเนียม โดยวิธีการกระเจิง ด้วยเหตุนี้ เขาจึงเปรียบเทียบจำนวนสัมพัทธ์ของอนุภาค α ที่กระจัดกระจายภายในมุมทึบเดียวกันจากอะลูมิเนียมและจากทองคำ สำหรับพิสัยของมุมที่ตรวจสอบ (สูงถึง 100 °) สันนิษฐานว่าการกระเจิงของทองคำเป็นไปตามกฎของสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง Beeler พบว่าอัตราส่วนของการกระเจิงในอะลูมิเนียมต่อการกระเจิงในทองคำขึ้นอยู่กับความเร็วของอนุภาค α ตัวอย่างเช่น สำหรับอนุภาค α ที่มีช่วง 3.4 ซม. จะได้อัตราส่วนตามทฤษฎีสำหรับมุมที่น้อยกว่า 40 ° แต่ปรากฎว่าอัตราส่วนสำหรับมุมกระเจิงเฉลี่ย 80 ° มีเพียง 7 ° / 0
น้อย. ในทางกลับกัน สำหรับอนุภาค α ที่เร็วกว่าด้วยช่วง 6.6 ซม. ความเบี่ยงเบนจากอัตราส่วนทางทฤษฎีจะเด่นชัดกว่ามากและถึง 29% สำหรับมุม 80 ° เพื่ออธิบายผลลัพธ์เหล่านี้ Beeler เสนอว่ากำลังที่น่าดึงดูดควรซ้อนทับกับแรงผลักปกติใกล้กับแกนอะลูมิเนียม ผลลัพธ์อยู่ในข้อตกลงที่ดีกับสมมติฐานที่ว่าแรงดึงดูดแปรผกผันกับกำลังสี่ของระยะทางและแรงผลักและแรงดึงดูดมีความสมดุลที่ระยะ 3.4 10 -13
ซม. จากศูนย์กลางของแกน ภายในรัศมีวิกฤตนี้ กองกำลังกลายเป็นสิ่งที่น่าดึงดูดอย่างยิ่ง ภายนอก - น่ารังเกียจอย่างยิ่ง
แม้ว่าเราจะไม่สามารถกำหนดข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับความแม่นยำของตัวเลขที่ได้รับหรือความรุนแรงของกฎแรงดึงดูดที่เสนอได้ แต่เราคงไม่เข้าใจผิดหากเราถือว่ารัศมีของนิวเคลียสอะลูมิเนียมไม่เกิน 4 10 -13
ซม. เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าแรงของปฏิกิริยาระหว่างอนุภาค α และนิวเคลียสของไฮโดรเจนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว โดยเริ่มต้นที่ระยะทางใกล้เคียงกันโดยประมาณ ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าขนาดของนิวเคลียสของธาตุแสงมีขนาดเล็ก และในกรณีของอะลูมิเนียม อาจมีคนกล่าวว่ามีขนาดเล็กมากอย่างไม่คาดคิด หากเราจำได้ว่าปริมาตรที่ไม่สำคัญนี้มี 27 โปรตอนและ 14 อิเล็กตรอน สมมติฐานที่ว่าแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวเคลียสเปลี่ยนจากการผลักไปเป็นแรงดึงดูดเมื่อเผชิญหน้ากันอย่างใกล้ชิดดูเหมือนเป็นไปได้มาก มิฉะนั้น เป็นเรื่องยากมากที่จะจินตนาการว่านิวเคลียสหนักที่มีประจุบวกมากเกินไปจะบรรจุอยู่ในพื้นที่จำกัดได้อย่างไร เราจะเห็นว่าข้อเท็จจริงอื่นๆ จำนวนหนึ่งสนับสนุนมุมมองนี้ อย่างไรก็ตาม ไม่น่าเป็นไปได้ที่แรงดึงดูดที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่ซับซ้อนสามารถแสดงออกได้ด้วยกฎอำนาจง่ายๆ "
ลักษณะของนิวตรอนและโปรตอนอิสระ
| ลักษณะของฟรี นิวตรอนและโปรตอน |
น | พี |
| มวล MeV / s 2 | 939.56536 ± 0.00008 | 938.27203 ± 0.00008 |
| จำนวนควอนตัม - หมุน | 1/2 | 1/2 |
| หมุน, ћ = 6.58 10 -22 MeV s | ћ 1/2 | ћ 1/2 |
| ค่าไฟฟ้า, q e = (1.602176487 ± 40) 10 -19 C |
(-0.4 ± 1.1) 10 -21 |
| q p + q e | / q e< 10 -21 |
| โมเมนต์แม่เหล็ก μ = eћ / 2m p c = 3.15 10 -18 MeV / G |
–1.9130427 ± 0.000005 | +2.792847351 ± 000000028 |
| ไฟฟ้า โมเมนต์ไดโพล d, e cm |
< 0.29·10 -25 | < 0.54 10 -23 |
| Baryon ชาร์จ B | +1 | +1 |
| รัศมีการชาร์จ fm | 0.875 ± 0.007 | |
| รัศมีการกระจายโมเมนต์แม่เหล็ก fm | 0.89 ± 0.07 | 0.86 ± 0.06 |
| ไอโซสปิน I | 1/2 | 1/2 |
| การฉายภาพ isospin I z | -1/2 | +1/2 |
| องค์ประกอบของควาร์ก | udd | อู๊ด |
| ตัวเลขควอนตัม s, c, b, t | 0 | 0 |
| ครึ่งชีวิต | 10.24 นาที | > 2.1 10 29 ปี |
| ความเท่าเทียมกัน | + | + |
| สถิติ | Fermi-Dirac | |
| รูปแบบการสลายตัว | n → p + e- + e | |
ตารางไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมี
ในตาราง สำหรับองค์ประกอบทางเคมีที่ตรวจพบทั้งหมด จะมีการระบุหมายเลขซีเรียล สัญลักษณ์ ชื่อ จำนวนมวลต่ำสุดและสูงสุดของไอโซโทปที่ตรวจพบ เปอร์เซ็นต์ของไอโซโทปในส่วนผสมตามธรรมชาติ (ค่าที่ปัดเศษ) องค์ประกอบทางเคมีที่มี Z = 113-118 ยังไม่ได้รับการตั้งชื่อ พวกมันถูกกำหนดให้เป็นแบบพิเศษระหว่างประเทศ
1 - หมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบทางเคมี Z,
2 - สัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี
3 - ชื่อขององค์ประกอบทางเคมี
4 - จำนวนมวลต่ำสุด - สูงสุด A ของไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมี
5 - เลขมวลของไอโซโทป A (เปอร์เซ็นต์ของไอโซโทปในส่วนผสมจากธรรมชาติ) โดยมีเปอร์เซ็นต์ของไอโซโทปในส่วนผสมตามธรรมชาติมากกว่า 1%
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 0 | น | นิวตรอน | 1 | |
| 1 | ชม | ไฮโดรเจน | 1-7 | 1 (99,986) |
| 2 | เขา | ฮีเลียม | 3-10 | 4 (100) |
| 3 | หลี่ | ลิเธียม | 3-12 | 6 (7,93); 7 (92,07) |
| 4 | เป็น | เบริลเลียม | 5-16 | 9 (100) |
| 5 | บี | โบรอน | 6-19 | 10 (19,8); 11 (80,2) |
| 6 | ค | คาร์บอน | 8-22 | 12 (98,9); 13 (1,1) |
| 7 | นู๋ | ไนโตรเจน | 10-25 | 14 (99,62) |
| 8 | อู๋ | ออกซิเจน | 12-28 | 16 (99,76) |
| 9 | F | ฟลูออรีน | 14-31 | 19 (100) |
| 10 | เน่ | นีออน | 16-34 | 20 (90,0); 22 (9,73) |
| 11 | นา | โซเดียม | 18-37 | 23 (100) |
| 12 | มก | แมกนีเซียม | 19-40 | 24 (77,4); 25 (11,5); 26 (11,1) |
| 13 | อัล | อลูมิเนียม | 21-43 | 27 (100) |
| 14 | ซิ | ซิลิคอน | 22-44 | 28 (89,6); 29 (6,2); 30 (4,2) |
| 15 | พี | ฟอสฟอรัส | 24-46 | 31 (100) |
| 16 | ส | กำมะถัน | 26-49 | 32 (95,1); 34 (4,2) |
| 17 | Cl | คลอรีน | 28-51 | 35 (75,4); 37 (24,6) |
| 18 | อา | อาร์กอน | 30-53 | 40 (99,632) |
| 19 | K | โพแทสเซียม | 32-55 | 39 (93,38); 41 (6,61) |
| 20 | Ca | แคลเซียม | 34-57 | 40 (96,96); 44 (2,06) |
| 21 | Sc | สแกนเดียม | 36-60 | 45 (100) |
| 22 | Ti | ไทเทเนียม | 38-63 | 46 (7,95); 47 (7,75); 48 (73,45); 49 (5,51); 50 (5,34) |
| 23 | วี | วานาเดียม | 40-65 | 51 (100) |
| 24 | Cr | โครเมียม | 42-67 | 50 (4,49); 52 (83,78); 53 (9,43); 54 (2,30) |
| 25 | มิน | แมงกานีส | 44-69 | 55 (100) |
| 26 | เฟ | เหล็ก | 45-72 | 54 (6,04); 56 (91,57); 57 (2,11) |
| 27 | โค | โคบอลต์ | 50-75 | 59 (100) |
| 28 | นิ | นิกเกิล | 48-78 | 58 (67,4); 60 (26,7); 61 (1,2); 62 (3,8) |
| 29 | Cu | ทองแดง | 52-80 | 63 (70,13); 65 (29,87) |
| 30 | สังกะสี | สังกะสี | 54-83 | 64 (50,9); 66 (27,3); 67 (3,9); 68 (17,4) |
| 31 | กา | แกลเลียม | 56-86 | 69 (61,2); 71 (38,8) |
| 32 | เก | เจอร์เมเนียม | 58-89 | 70 (21,2); 72 (27,3); 73 (7,9); 74 (37,1); 76 (6,5) |
| 33 | เนื่องจาก | สารหนู | 60-92 | 75 (100) |
| 34 | เซ | ซีลีเนียม | 64-94 | 76 (9,5); 77 (8,3); 78 (24,0); 80 (48,0); 82 (9,3) |
| 35 | Br | โบรมีน | 67-97 | 79 (50,6); 80 (49,4) |
| 36 | กรุ | คริปทอน | 69-100 | 80 (2,01); 82 (11,53); 83 (11,53); 84 (57,11); 86 (17,47) |
| 37 | Rb | รูบิเดียม | 71-101 | 85 (72,8); 87 (27,2) |
| 38 | ซีเนียร์ | สตรอนเทียม | 73-105 | 86 (9,86); 87 (7,02); 88 (82,56) |
| 39 | Y | อิตเทรียม | 76-108 | 89 (100) |
| 40 | Zr | เซอร์โคเนียม | 78-110 | 90 (48); 91 (11,5); 92 (22); 94 (17); 96 (1,5) |
| 41 | Nb | ไนโอเบียม | 81-113 | 93 (100) |
| 42 | โม | โมลิบดีนัม | 83-115 |
92
(14,9); 94 (9,4); 95 (16,1); 96 (16,6); 97 (9,65); 98 (24,1); 100 (9,25) |
| 43 | Tc | เทคโนโลยี | 85-118 | |
| 44 | รุ | รูทีเนียม | 87-120 |
96
(5,68); 98 (2,22); 99 (12,81); 100 (12,70); 101 (16,98); 102 (31,34); 104 (18,27) |
| 45 | Rh | โรเดียม | 89-122 | 103 (100) |
| 46 | Pd | แพลเลเดียม | 91-124 | 104 (9,3); 105 (22,6); 106 (27,2); 108 (26,8); 110 (13,5) |
| 47 | Ag | เงิน | 93-130 | 107 (52,5); 109 (47,5) |
| 48 | ซีดี | แคดเมียม | 95-132 |
106
(1,4); 108 (1,0); 110 (12,8); 111 (13,0); 112 (24,2); 113 (12,3); 114 (28,0); 116 (7,3) |
| 49 | ใน | อินเดียม | 97-135 | 113 (4,5); 115 (95,5) |
| 50 | Sn | ดีบุก | 99-137 |
112
(1,1); 116 (15,5); 117 (9,1); 118 (22,5); 119 (9,8); 120 (28,5); 122 (5,5); 124 (6,8) |
| 51 | Sb | พลวง | 103-139 | 121 (56); 123 (44) |
| 52 | เต | เทลลูเรียม | 105-142 |
122
(2,9); 123 (1,6); 124 (4,5); 125 (6,0); 126 (19,0); 128 (32,8); 130 (33,1) |
| 53 | ผม | ไอโอดีน | 108-144 | 127 (100) |
| 54 | เซ | ซีนอน | 109-147 |
128 (1,9); 129
(26,23); 130 (4,07); 131 (21,17); 132 (26,96); 134 (10,54); 136 (8,95) |
| 55 | Cs | ซีเซียม | 112-151 | 133 (100) |
| 56 | บา | แบเรียม | 114-153 |
134
(2,42); 135 (6,59); 136 (7,81); 137 (11,32); 138 (71,66) |
| 57 | ลา | แลนทานัม | 117-155 | 139 (100) |
| 58 | เซ | ซีเรียม | 119-157 | 140 (89); 142 (11) |
| 59 | ปรือ | praseodymium | 121-159 | 141 (100) |
| 60 | Nd | นีโอไดเมียม | 124-161 | 142 (25,95); 143 (13,0); 144 (22,6); 145 (9,2); 146 (16,5); 148 (6,8); 150 (5,95) |
| 61 | น | โพรมีเทียม | 126-163 | |
| 62 | Sm | ซาแมเรียม | 128-165 |
144
(3); 147 (17); 148 (14); 149 (15); 150 (5); 152 (26); 154 (20) |
| 63 | สหภาพยุโรป | ยูโรเพียม | 130-167 | 151 (49,1); 153 (50,9) |
| 64 | Gd | แกโดลิเนียม | 134-169 |
154
(1,5); 155 (21); 156 (22); 157 (17); 158 (22); 160 (16) |
| 65 | Tb | เทอร์เบียม | 135-171 | 159 (100) |
| 66 | Dy | ดิสโพรเซียม | 138-173 | 160 (1,5); 161 (22); 162 (24); 163 (24); 164 (28) |
| 67 | โฮ | โฮลเมียม | 140-175 | 165 (100) |
| 68 | เอ้อ | เออร์เบียม | 143-177 |
164
(1,5); 166 (32,9); 167 (24,4); 168 (26,9); 170 (14,2) |
| 69 | Tm | ทูเลียม | 144-179 | 169 (100) |
| 70 | Yb | อิตเทอร์เบียม | 148-181 |
170
(4,21); 171 (14,26); 172 (21,49); 173 (17,02); 174 (29,58); 176 (13,38) |
| 71 | ลู่ | ลูทีเซียม | 150-184 | 175 (97,5); 176 (2,5) |
| 72 | Hf | แฮฟเนียม | 151-188 |
176
(5,3); 177 (18,47); 178 (27,13); 179 (13,85); 180 (35,14) |
| 73 | ตาล | แทนทาลัม | 155-190 | 181 (100) |
| 74 | W | ทังสเตน | 158-192 | 182 (22,6); 183 (17,3); 184 (30,1); 186 (29,8) |
| 75 | อีกครั้ง | รีเนียม | 159-194 | 185 (38,2); 187 (61,8) |
| 76 | Os | ออสเมียม | 162-200 |
186
(1,59); 187 (1,64); 188 (13,3); 189 (16,1); 190 (26,4); 192 (41,0) |
| 77 | ไอร์ | อิริเดียม | 164-202 | 191 (38,5); 193 (61,5) |
| 78 | ปตท | แพลตตินั่ม | 166-203 | 194 (30,2); 195 (35,3); 196 (26,6) 198 (7,2) |
| 79 | Au | ทอง | 169-205 | 197 (100) |
| 80 | Hg | ปรอท | 171-210 |
198
(10,1); 199 (17,0); 200 (23,3); 201 (13,2); 202 (29,6); 204 (6,7) |
| 81 | Tl | แทลเลียม | 176-212 | 203 (29,1); 205 (70,9) |
| 82 | พีบี | ตะกั่ว | 178-215 | 204 (1,5); 206 (23,6); 207 (22,6); 208 (52,3) |
| 83 | บี | บิสมัท | 184-218 | 209 (100) |
| 84 | โป | พอโลเนียม | 188-220 | |
| 85 | ที่ | แอสทาทีน | 191-223 | |
| 86 | Rn | เรดอน | 193-228 | |
| 87 | คุณพ่อ | แฟรนเซียม | 199-232 |
|
| 88 | รา | เรเดียม | 201-234 | |
| 89 | แอค | แอกทิเนียม | 206-236 | |
| 90 | ไทย | ทอเรียม | 208-238 | 232 (100) |
| 91 | ปะ | โพรแทกทิเนียม | 212-240 | |
| 92 | ยู | ดาวยูเรนัส | 217-242 | 238 (99,28) |
| 93 | Np | เนปทูเนียม | 225-244 | |
| 94 | ปู | พลูโทเนียม | 228-247 | |
| 95 | เช้า | อเมริเซียม | 230-249 | |
| 96 | ซม | คูเรียม | 232-252 | |
| 97 | Bk | เบอร์คีเลียม | 234-254 | |
| 98 | Cf | แคลิฟอร์เนีย | 237-256 | |
| 99 | เอส | ไอน์สไตเนียม | 240-258 | |
| 100 | เอฟเอ็ม | เฟอร์มี | 242-260 | |
| 101 | Md | เมนเดเลเวียม | 245-262 | |
| 102 | # | โนบีเลียม | 248-264 | |
| 103 | Lr | ลอเรนซ์ | 251-266 | |
| 104 | Rf | รัทเทอร์ฟอร์เดียม | 253-268 | |
| 105 | DB | ดับเนียม | 255-269 | |
| 106 | Sg | ซีบอร์เกียม | 258-273 | |
| 107 | ภะ | บอเรียม | 260-275 | |
| 108 | Hs | แชสเซียส | 263-276 | |
| 109 | ภูเขา | ไมต์เนเรียม | 265-279 | |
| 110 | Ds | ดาร์มสตัดท์ | 267-281 | |
| 111 | Rg | เรินจิเนียม | 272-283 | |
| 112 | Cn | โคเปอร์นิเซียม | 277-285 | |
| 113 | Uut | 278-287 | ||
| 114 | Uuq | 286-289 | ||
| 115 | Uup | 287-291 | ||
| 116 | อุ้ย | 290-293 | ||
| 117 | Uus | 291-292 | ||
| 118 | Uuo |
|
294 |
ทฤษฎีโปรตอนอิเล็กตรอน
เมื่อต้นเงิน 1932 ดอลลาร์สหรัฐฯ รู้จักอนุภาคมูลฐานเพียง 3 อนุภาค ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ด้วยเหตุนี้ จึงสันนิษฐานว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน (สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน) เชื่อกันว่าองค์ประกอบของนิวเคลียสที่มีหมายเลข $ Z $ ในตารางธาตุของ D. I. Mendeleev และเลขมวล $ A $ รวมถึง $ A $ โปรตอนและ $ Z-A $ นิวตรอน ตามสมมติฐานนี้ อิเล็กตรอนที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสจะทำหน้าที่เป็น "การประสาน" ซึ่งจะมีโปรตอนที่มีประจุบวกอยู่ในนิวเคลียส ผู้สนับสนุนสมมติฐานโปรตอน - อิเล็กตรอนขององค์ประกอบของนิวเคลียสอะตอมเชื่อว่า $ \ beta ^ - $ - กัมมันตภาพรังสีเป็นการยืนยันความถูกต้องของสมมติฐาน แต่สมมติฐานนี้ไม่สามารถอธิบายผลการทดลองได้และถูกปฏิเสธ ปัญหาดังกล่าวประการหนึ่งคือความเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายว่าการหมุนของนิวเคลียสไนโตรเจน $ ^ (14) _7N $ เท่ากับเอกภาพ $ (\ hbar) $ ตามสมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียสไนโตรเจน $ ^ (14) _7N $ ควรประกอบด้วยโปรตอน 14 ดอลลาร์ และอิเล็กตรอน 7 ดอลลาร์ การหมุนของโปรตอนและอิเล็กตรอนคือ $ 1/2 $ ด้วยเหตุนี้นิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจนซึ่งตามสมมติฐานนี้ประกอบด้วยอนุภาค $ 21 $ จะต้องมีการหมุน $ 1/2, \ 3/2, \ 5/2, \ จุด 21/2 $ ความคลาดเคลื่อนระหว่างทฤษฎีโปรตอนกับอิเล็กตรอนนี้เรียกว่า "ภัยพิบัติไนโตรเจน" นอกจากนี้ยังไม่สามารถเข้าใจได้ว่าเมื่อมีอิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียส โมเมนต์แม่เหล็กของมันมีโมเมนต์แม่เหล็กเล็กน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน
ในปี 1932 J. Chadwick ค้นพบนิวตรอน หลังจากการค้นพบนี้ D. D. Ivanenko และ E. G. Gapon ได้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสอะตอม ซึ่งพัฒนาโดย V. Heisenberg อย่างละเอียด
หมายเหตุ 1
องค์ประกอบของโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้รับการยืนยันไม่เพียงโดยข้อสรุปทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังได้รับการยืนยันโดยตรงจากการทดลองเกี่ยวกับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเรียกอีกอย่างว่า นิวคลีออน(จากภาษาละติน นิวเคลียส- แกน, เมล็ดพืช).
โครงสร้างของนิวเคลียสอะตอม
แกนคือส่วนกลางของอะตอมซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกและมวลรวมของอะตอมกระจุกตัวอยู่ ขนาดของนิวเคลียสเมื่อเปรียบเทียบกับวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นเล็กมาก: $ 10 ^ (- 15) -10 ^ (- 14) \ m $ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งมีมวลเกือบเท่ากัน แต่มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มีประจุไฟฟ้า จำนวนโปรตอนทั้งหมดเรียกว่าเลขอะตอม $ Z $ ของอะตอม ซึ่งตรงกับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง นิวเคลียสถูกกักขังอยู่ในนิวเคลียสโดยกองกำลังขนาดใหญ่ โดยธรรมชาติของพวกมัน แรงเหล่านี้ไม่ใช่ไฟฟ้าหรือแรงโน้มถ่วง และในขนาดที่พวกมันจะสูงกว่าแรงที่ผูกอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส
ตามแบบจำลองโปรตอน - นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียส:
- นิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดประกอบด้วยนิวเคลียส
- ประจุนิวเคลียร์เกิดจากโปรตอนเท่านั้น
- จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับเลขลำดับของธาตุ
- จำนวนนิวตรอนเท่ากับผลต่างระหว่างเลขมวลกับจำนวนโปรตอน ($ N = A-Z $)
โปรตอน ($ ^ 2_1H \ หรือ \ p $) เป็นอนุภาคที่มีประจุบวก: ประจุของมันจะเท่ากับประจุอิเล็กตรอน $ e = 1.6 \ cdot 10 ^ (- 19) \ Kl $ และมวลที่เหลือคือ $ m_p = 1.627 \ cdot 10 ^ ( -27) \ กก. $ โปรตอนเป็นนิวเคลียสของนิวคลีออนที่ฝากไว้ของอะตอมไฮโดรเจน
เพื่อลดความซับซ้อนของการบันทึกและการคำนวณ มวลของนิวเคลียสมักจะถูกกำหนดในหน่วยมวลอะตอม (amu) หรือในหน่วยพลังงาน (เขียนพลังงานที่สอดคล้องกัน $ E = mc ^ 2 $ ในอิเล็กตรอนโวลต์แทนที่จะเป็นมวล) หน่วยมวลอะตอมคิดเป็น $ 1/12 $ ของมวลของนิวไคลด์คาร์บอน $ ^ (12) _6С $ ในหน่วยเหล่านี้เราได้รับ:
โปรตอนเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนมีโมเมนตัมเชิงมุม - สปินซึ่งเท่ากับ $ 1/2 $ (ในหน่วยของ $ \ hbar $) ส่วนหลังในสนามแม่เหล็กภายนอกสามารถกำหนดทิศทางได้เฉพาะเพื่อให้การฉายภาพและทิศทางของสนามมีค่าเท่ากับ $ + 1/2 $ หรือ $ -1 / 2 $ โปรตอนเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนอยู่ภายใต้สถิติควอนตัม Fermi-Dirac เช่น เป็นของเฟอร์มิออน
โปรตอนมีลักษณะเฉพาะด้วยโมเมนต์แม่เหล็ก ซึ่งสำหรับอนุภาคที่มีการหมุน $ 1/2 $ ประจุ $ e $ และมวล $ m $ คือ
สำหรับอิเล็กตรอน โมเมนต์แม่เหล็กที่แท้จริงคือ
เพื่ออธิบายความเป็นแม่เหล็กของนิวคลีออนและนิวเคลียส แมกนีตอนนิวเคลียร์ถูกใช้ (น้อยกว่าแมกนีตันของบอร์ $ 1836 $ เท่า):
ตอนแรกเชื่อกันว่าโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนเท่ากับแมกนีตรอนนิวเคลียร์ตั้งแต่ มวลของมันคือ $ 1836 $ คูณมวลของอิเล็กตรอน แต่การวัดได้แสดงให้เห็นว่า อันที่จริง โมเมนต์แม่เหล็กที่แท้จริงของโปรตอนมีค่ามากกว่า 2.79 ดอลลาร์ เมื่อเทียบกับแมกนีตรอนนิวเคลียร์ ซึ่งมีสัญญาณบวก กล่าวคือ ทิศทางตรงกับการหมุน
ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายความไม่ลงรอยเหล่านี้โดยข้อเท็จจริงที่ว่าโปรตอนและนิวตรอนเปลี่ยนรูปร่วมกันและบางครั้งยังคงอยู่ในสถานะของการแยกตัวออกเป็น $ \ pi ^ \ pm $ - meson และเครื่องหมายที่สอดคล้องกันของนิวคลีออนอื่น:
มวลที่เหลือของ $ \ pi ^ \ pm $ - meson เท่ากับ $ 193.63 $ MeV ดังนั้นโมเมนต์แม่เหล็กของมันคือ $ 6.6 $ มากกว่าแมกนีตอนนิวเคลียร์ ค่าที่มีประสิทธิภาพของโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนและสภาพแวดล้อม $ \ pi ^ + $ - meson ปรากฏในการวัด
นิวตรอน ($ n $) - อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มวลส่วนที่เหลือของเธอ
แม้ว่านิวตรอนจะไม่มีประจุ แต่ก็มีโมเมนต์แม่เหล็ก $ \ mu _n = -1.91 \ mu _Я $ เครื่องหมาย “$ - $” แสดงว่าโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ตรงข้ามกับการหมุนของโปรตอน สนามแม่เหล็กของนิวตรอนถูกกำหนดโดยค่าประสิทธิผลของโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคที่สามารถแยกตัวออกจากกันได้
ในสภาวะอิสระ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรและสลายตัวตามอำเภอใจ (ครึ่งชีวิตคือ $ 12 $ นาที): โดยการปล่อย $ \ beta $ - อนุภาคและแอนตินิวตริโน มันจะกลายเป็นโปรตอน รูปแบบการสลายตัวของนิวตรอนเขียนดังนี้:
ตรงกันข้ามกับการสลายตัวภายในนิวเคลียร์ของนิวตรอน การสลาย $ \ beta $ - เป็นของทั้งการสลายตัวภายในและฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน
การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของนิวตรอนและโปรตอน ความเท่าเทียมกันของการหมุน การประมาณมวลและสมบัติให้เหตุผลที่จะถือว่าเรากำลังพูดถึงอนุภาคนิวเคลียร์ชนิดเดียวกันสองสายพันธุ์ - นิวคลีออน ทฤษฎีโปรตอน-นิวตรอนสอดคล้องกับข้อมูลการทดลอง
เนื่องจากองค์ประกอบของนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนพบได้ในปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชันจำนวนมาก
ในปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสโดยพลการและทีละส่วน จะสังเกตพบฟลักซ์ของอิเล็กตรอน โพซิตรอน มีซอน นิวตริโนและแอนตินิวตริโน มวลของอนุภาค $ \ beta $ - (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) คือ $ 1836 $ น้อยกว่ามวลของนิวคลีออน Mesons - อนุภาคบวกลบและศูนย์ - ครองตำแหน่งกลางในมวลระหว่าง $ \ beta $ - อนุภาคและนิวคลีออน อายุขัยของอนุภาคดังกล่าวสั้นมากและมีจำนวนถึงหนึ่งในล้านของวินาที นิวตริโนและแอนตินิวตริโนเป็นอนุภาคมูลฐาน มวลที่เหลือมีค่าเท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอน โพซิตรอน และเมซอนไม่สามารถเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสได้ อนุภาคแสงเหล่านี้ไม่สามารถแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งเป็นนิวเคลียสของรัศมี $ \ sim 10 ^ (- 15) \ m $
เพื่อพิสูจน์สิ่งนี้ เรากำหนดพลังงานของปฏิกิริยาทางไฟฟ้า (เช่น อิเล็กตรอนที่มีโพซิตรอนหรือโปรตอนในนิวเคลียส)
และเปรียบเทียบกับพลังงานในตัวเองของอิเล็กตรอน
เนื่องจากพลังงานจากปฏิกิริยาภายนอกมีมากกว่าพลังงานของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจึงไม่สามารถดำรงอยู่และคงความเป็นตัวของตัวเองได้ ในสภาวะของนิวเคลียส อิเล็กตรอนจะถูกทำลาย สถานการณ์แตกต่างกันด้วยนิวคลีออน พลังงานของพวกมันเองมากกว่า $ 900 $ MeV ดังนั้นพวกมันจึงสามารถรักษาลักษณะเฉพาะไว้ในนิวเคลียสได้
อนุภาคแสงถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสในกระบวนการเปลี่ยนผ่านจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง
อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนล้อมรอบ นิวเคลียสของอะตอมมีขนาดประมาณ 10 -14 ... 10 -15 ม. (ขนาดเชิงเส้นของอะตอมคือ 10 -10 ม.)
นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน โปรตอนและนิวตรอนแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสถูกเสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย D. D. Ivanenko และต่อมาพัฒนาโดย V. Heisenberg
โปรตอน ( R) มีประจุบวกเท่ากับประจุอิเล็กตรอนและมวลพัก ตู่ พี =
1.6726 ∙ 10 -27 กก. 1836 ม อี, ที่ไหน ม อี มวลอิเล็กตรอน นิวตรอน ( น) เป็นอนุภาคเป็นกลางที่มีมวลพัก ม น= 1.6749 ∙ 10 -27 กก. 
1839ตู่ อี ,.
มวลของโปรตอนและนิวตรอนมักแสดงเป็นหน่วยอื่น - ในหน่วยมวลอะตอม (amu หน่วยมวลเท่ากับ 1/12 ของมวลอะตอมของคาร์บอน 
). มวลของโปรตอนและนิวตรอนมีค่าเท่ากับหนึ่งหน่วยมวลอะตอมโดยประมาณ โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่า นิวคลีออน(จาก ลท. นิวเคลียส เคอร์เนล). จำนวนนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียสอะตอมเรียกว่าเลขมวล อา).
รัศมีของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนมวลที่เพิ่มขึ้นตามอัตราส่วน ร = 1,4อา 1/3 10 -13 ซม.
การทดลองแสดงให้เห็นว่านิวเคลียสไม่มีขอบเขตที่แหลมคม มีความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์อยู่ที่ศูนย์กลางของนิวเคลียส และจะค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์เมื่อระยะห่างจากศูนย์กลางเพิ่มขึ้น เนื่องจากไม่มีขอบเขตแกนกลางที่กำหนดไว้อย่างดี "รัศมี" จึงถูกกำหนดให้เป็นระยะห่างจากศูนย์กลางซึ่งความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์ลดลงครึ่งหนึ่ง การกระจายเฉลี่ยของความหนาแน่นของสสารสำหรับนิวเคลียสส่วนใหญ่ไม่ได้เป็นเพียงทรงกลมเท่านั้น นิวเคลียสส่วนใหญ่มีรูปร่างผิดปกติ นิวเคลียสมักจะมีลักษณะทรงรียาวหรือแบน
นิวเคลียสของอะตอมมีลักษณะเฉพาะโดย ค่าใช้จ่ายซีที่ไหน Zหมายเลขค่าใช้จ่ายนิวเคลียส เท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและสอดคล้องกับเลขลำดับขององค์ประกอบทางเคมีในตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ
นิวเคลียสแสดงด้วยสัญลักษณ์เดียวกับอะตอมที่เป็นกลาง: 
, ที่ไหน Xสัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี Zเลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส) อาเลขมวล (จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส) มวลจำนวน อาประมาณเท่ากับมวลของนิวเคลียสในหน่วยมวลอะตอม
เนื่องจากอะตอมเป็นกลาง ประจุของนิวเคลียส Zยังกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม การกระจายไปตามสถานะต่างๆ ในอะตอมขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน ประจุนิวเคลียร์กำหนดความจำเพาะขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด กล่าวคือ กำหนดจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม การกำหนดค่าของเปลือกอิเล็กตรอน และขนาดและธรรมชาติของสนามไฟฟ้าภายในอะตอม
นิวเคลียสที่มีหมายเลขชาร์จเท่ากัน Zแต่มีเลขมวลต่างกัน อา(กล่าวคือ มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน N = A - Z) เรียกว่า ไอโซโทป และนิวเคลียสที่มีธาตุเหมือนกัน เอ,แต่แตกต่าง ซี -ไอโซบาร์ ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจน ( Z= l) มีสามไอโซโทป: ชม -โพรเที่ยม ( Z= ล. ยังไม่มี = 0),
ชม -ดิวเทอเรียม ( Z= ล. นู๋= 1),
ชม -ไอโซโทป ( Z= ล. นู๋= 2), ดีบุก - สิบไอโซโทป ฯลฯ ในกรณีส่วนใหญ่ ไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันและมีคุณสมบัติทางกายภาพเกือบเหมือนกัน
อี, MeV
ระดับพลังงาน
และการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้สำหรับนิวเคลียสของอะตอมโบรอน
ทฤษฎีควอนตัมจำกัดพลังงานที่ส่วนประกอบนิวเคลียสสามารถครอบครองได้อย่างเคร่งครัด มวลรวมของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสสามารถอยู่ในสถานะพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องบางอย่างของไอโซโทปที่กำหนดเท่านั้นเมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนจากสถานะที่สูงขึ้นไปเป็นสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ความแตกต่างของพลังงานจะถูกปล่อยออกมาเป็นโฟตอน พลังงานของโฟตอนเหล่านี้อยู่ในลำดับของอิเล็กตรอนโวลต์หลายตัว สำหรับนิวเคลียส ระดับพลังงานจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 ถึง 10 MeV ในช่วงการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับเหล่านี้ โฟตอนของพลังงานที่สูงมาก (γ-quanta) จะถูกปล่อยออกมา เพื่อแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว รูปที่ 6.1 แสดงระดับพลังงานห้าระดับแรกของนิวเคลียส 
เส้นแนวตั้งบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ ตัวอย่างเช่น γ-ควอนตัมที่มีพลังงาน 1.43 MeV ถูกปล่อยออกมาในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสจากสถานะที่มีพลังงาน 3.58 MeV เป็นสถานะที่มีพลังงาน 2.15 MeV
นิวเคลียสของอะตอม- นี่คือส่วนกลางของอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน (ซึ่งรวมกันเรียกว่า นิวคลีออน).
นิวเคลียสถูกค้นพบโดย E. Rutherford ในปี 1911 ขณะศึกษาข้อความนี้ α -อนุภาคผ่านสสาร ปรากฎว่ามวลอะตอมเกือบทั้งหมด (99.95%) กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ขนาดของนิวเคลียสของอะตอมจะอยู่ที่ 10 -1 3 -10 - 12 ซม. ซึ่งน้อยกว่าขนาดของเปลือกอิเล็กตรอนถึง 10,000 เท่า
แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมที่เสนอโดยอี. รัทเทอร์ฟอร์ดและการสังเกตการทดลองของนิวเคลียสของไฮโดรเจนถูกทำให้ล้มลง α -อนุภาคจากนิวเคลียสของธาตุอื่นๆ (พ.ศ. 2462-2563) นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่แนวคิดของ โปรตอน... คำว่าโปรตอนถูกนำมาใช้ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1920
โปรตอน (จากภาษากรีก. โปรตอน- อันแรก สัญลักษณ์ พี) เป็นอนุภาคมูลฐานที่เสถียรซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน
โปรตอน- อนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งมีประจุเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุของอิเล็กตรอน อี= 1.6 10 -1 9 ซล. มวลของโปรตอนคือ 1836 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลพักของโปรตอน m p= 1.6726231 10 -27 กก. = 1.007276470 amu
อนุภาคที่สองในนิวเคลียสคือ นิวตรอน.
นิวตรอน (จาก lat. หมัน- ไม่ว่าอย่างใดอย่างหนึ่ง, สัญลักษณ์ น) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีประจุ นั่นคือ เป็นกลาง
มวลของนิวตรอนคือ 1839 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลของนิวตรอนเกือบเท่ากัน (มากกว่าเล็กน้อย) กับมวลของโปรตอน: มวลที่เหลือของนิวตรอนอิสระ ม น= 1.6749286 10 -27 กก. = 1.0008664902 amu และมากกว่ามวลโปรตอน 2.5 เท่าของมวลอิเล็กตรอน นิวตรอนร่วมกับโปรตอนภายใต้ชื่อสามัญ นิวคลีออนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม
นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932 โดย D. Chadwig นักเรียนของ E. Rutherford ระหว่างการทิ้งระเบิดของเบริลเลียม α -อนุภาค การแผ่รังสีที่มีความสามารถในการแทรกซึมสูง (เอาชนะสิ่งกีดขวางของแผ่นตะกั่วหนา 10-20 ซม.) ทำให้เกิดผลกระทบรุนแรงขึ้นเมื่อผ่านแผ่นพาราฟิน (ดูรูป) การประมาณค่าพลังงานของอนุภาคเหล่านี้จากรอยทางในห้องวิลสันซึ่งสร้างโดย Joliot-Curies และการสังเกตเพิ่มเติมทำให้ไม่สามารถแยกสมมติฐานเบื้องต้นได้ว่าสิ่งนี้ γ -ปริมาณ ความสามารถในการแทรกซึมที่ยอดเยี่ยมของอนุภาคใหม่ที่เรียกว่านิวตรอนนั้นอธิบายได้จากค่าอิเล็กโตรนิวตร้าริตี้ของพวกมัน ท้ายที่สุดแล้ว อนุภาคที่มีประจุจะโต้ตอบกับสสารอย่างแข็งขันและสูญเสียพลังงานไปอย่างรวดเร็ว อี. รัทเทอร์ฟอร์ดทำนายการมีอยู่ของนิวตรอน 10 ปีก่อนการทดลองของดี. แชดวิก เมื่อตี α -อนุภาคในเบริลเลียมนิวเคลียส เกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้:
นี่คือสัญลักษณ์ของนิวตรอน ประจุมีค่าเท่ากับศูนย์ และมวลอะตอมสัมพัทธ์มีค่าเท่ากับหนึ่งโดยประมาณ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร: นิวตรอนอิสระในเวลาประมาณ 15 นาที สลายตัวเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ปราศจากมวลเหลือ
หลังจากการค้นพบนิวตรอนโดย J. Chadwick ในปี 1932 D. Ivanenko และ V. Heisenberg เสนออย่างอิสระ แบบจำลองนิวเคลียสของโปรตอน-นิวตรอน (นิวคลีออน)... ตามแบบจำลองนี้ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน จำนวนโปรตอน Zตรงกับเลขลำดับขององค์ประกอบในตารางของ D. I. Mendeleev
ค่าใช้จ่ายหลัก คิวกำหนดโดยจำนวนของโปรตอน Zเป็นนิวเคลียสและเป็นค่าทวีคูณของค่าสัมบูรณ์ของประจุอิเล็กตรอน อี:
Q = + Ze
ตัวเลข Zเรียกว่า หมายเลขประจุของนิวเคลียสหรือ เลขอะตอม.
มวลของแกน อาเรียกว่าจำนวนนิวคลีออนซึ่งก็คือโปรตอนและนิวตรอนที่มีอยู่ในนั้น จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงด้วยตัวอักษร นู๋... ดังนั้นจำนวนมวลคือ:
A = Z + N.
นิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ถูกกำหนดให้เป็นเลขมวลเท่ากับหนึ่งอิเล็กตรอน - ศูนย์
แนวคิดเรื่ององค์ประกอบของนิวเคลียสยังได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการค้นพบ ไอโซโทป.
ไอโซโทป (จากภาษากรีก. isos- เท่ากัน, เท่ากันและ โทโปอา- สถานที่) เป็นอะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันซึ่งนิวเคลียสของอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน ( Z) และจำนวนนิวตรอนต่างกัน ( นู๋).
นิวเคลียสของอะตอมดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าไอโซโทป ไอโซโทปคือ นิวไคลด์องค์ประกอบหนึ่ง นิวไคลด์ (จาก lat. นิวเคลียส- นิวเคลียส) - นิวเคลียสของอะตอมใด ๆ (ตามลำดับอะตอม) ที่มีตัวเลขที่กำหนด Zและ นู๋... การกำหนดทั่วไปของนิวไคลด์คือ……. ที่ไหน X- สัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี A = Z + N- จำนวนมวล
ไอโซโทปอยู่ในที่เดียวกันในตารางธาตุซึ่งเป็นที่มาของชื่อ ตามกฎแล้วไอโซโทปมีคุณสมบัติทางนิวเคลียร์แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (ตัวอย่างเช่นในความสามารถในการเข้าสู่ปฏิกิริยานิวเคลียร์) คุณสมบัติทางเคมี (b เกือบจะเท่ากันทางกายภาพ) ของไอโซโทปเหมือนกัน นี่เป็นเพราะคุณสมบัติทางเคมีขององค์ประกอบถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียสเนื่องจากเป็นผู้ที่ส่งผลต่อโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม
ข้อยกเว้นคือไอโซโทปของธาตุแสง ไอโซโทปของไฮโดรเจน 1 นู๋ — โพรเที่ยม, 2 นู๋— ดิวเทอเรียม, 3 นู๋ — ไอโซโทปมวลต่างกันมากจนคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีต่างกัน ดิวเทอเรียมมีความเสถียร (กล่าวคือ ไม่มีกัมมันตภาพรังสี) และรวมเป็นสารเจือปนเล็กน้อย (1: 4500) ในไฮโดรเจนธรรมดา เมื่อดิวเทอเรียมรวมตัวกับออกซิเจนจะเกิดเป็นน้ำหนัก อุณหภูมิเดือดที่ 101.2 ° C ที่ความดันบรรยากาศปกติและแช่แข็งที่ +3.8 ° C Tritium β - กัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตประมาณ 12 ปี
องค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดมีไอโซโทป องค์ประกอบบางอย่างมีเพียงไอโซโทปที่ไม่เสถียร (กัมมันตภาพรังสี) สำหรับองค์ประกอบทั้งหมด ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีได้มาจากการทำเทียม
ไอโซโทปของยูเรเนียมธาตุยูเรเนียมมีไอโซโทปสองไอโซโทป - มีเลขมวล 235 และ 238 ไอโซโทปเป็นเพียง 1/140 ของไอโซโทปทั่วไป