Kernphysik - Grundlagen

Ausgehend von experimentellen Resultaten kam RUTHERFORD zum Schluss, dass die positiven Bestandteile aller Atome aus Wasserstoffkernen bestehen, denen er den Namen Protonen gab.

Aber da gab es ein paar Dinge, welche keinen Sinn machten: Ein Heliumkern ist im Mittel viermal so schwer wie ein Proton, was vermuten lässt, dass er aus vier Protonen besteht. In diesem Fall müsste er die vierfache Ladung des Protons haben, aber er hat nur die zweifache Ladung des Protons. Alle schwereren Kerne zeigten dieses Ungleichgewicht zwischen Masse und Ladung. Außerdem entdeckte man verschiedene Isotope von einigen Elementen — Atome des gleichen Elements mit der somit gleichen Anzahl von Protonen, aber mit verschiedenen Massen.

1920 vermutete RUTHERFORD, dass noch ein anderes Teilchen im Kern sein müsste, ungefähr so schwer wie das Proton, aber ohne elektrische Ladung. Er nannte dieses Teilchen Neutron.

RUTHERFORDs Assistent James CHADWICK war fast ein Jahrzehnt dem Neutron auf der Spur. Der entscheidende Impuls für seinen Versuch kam vom Ehepaar JOLIOT-CURIE. Neutronen tauchten in einem ganz anderen Experiment mit Alpha-Teilchen auf. Diesmal hatte man damit Beryllium beschossen; die Beryllium-Atome gaben dann eine komische Art von neutraler Strahlung ab.

Einige Leute schlugen vor, dass diese Strahlung aus hochenergetischen Photonen, so etwas wie Gammastrahlen bestand, aber CHADWICK zeigte 1932, dass dies nicht sein konnte. Die unbekannte Strahlung konnte Protonen aus anderen Atomen schlagen; das hieß, dass sie aus ziemlich schweren Teilchen bestehen musste und nicht aus masselosen Photonen. Aus der Geschwindigkeit der herausgeschlagenen Protonen und den Erhaltungssätzen für Impuls und Energie konnte CHADWICK die Masse der unbekannten Teilchen berechnen. Sie war nur ein bisschen größer als die der Protonen. Es bestand kein Zweifel, dass es sich um RUTHERFORDs Neutronen handelte.

CHADWICK beschreibt seinen Versuch über die Rückstoßkerne wie folgt:

"The properties of the beryllium radiation were first examined by means of the valve counter (Röhrendetektor). ... Briefly, it consists of a small ionisation chamber connected to a valve amplifier. The sudden production of ions in the chamber by the entry of an ionising particle is detected by means of an oscillograph connected in the output circuit of the amplifier. The deflections of the oscillograph were recorded photographically on a film of bromide paper.
The source of polonium was prepared from a solution of radium by deposition on a disc of silver. The disc had a diameter of 1 cm. and was placed close to a disc of pure beryllium of 2 cm. diameter, and both were enclosed in a small vessel which could be evacuated, fig. 1. The first ionisation chamber used had an opening of 13 mm. covered with aluminium foil of 4-5 cm. air equivalent, and a depth of 15 mm. This chamber had a very low natural effect, giving on the average only about 7 deflections per hour.
When the source vessel was placed in front of the ionization chamber, the number of deflections immediately increased. For a distance of 3 cm. between the beryllium and the counter the number of deflections was nearly 4 per minute. Since the number of deflections remained sensibly the same when thick metal sheets, even as much as 2 cm. of lead, were interposed between the source vessel and the counter, it was clear that these deflections were due to a penetrating radiation emitted from the beryllium. It will be shown later that the deflections were due to atoms of nitrogen set in motion by the impact of the beryllium radiation.
When a sheet of paraffin wax about 2 mm. thick was interposed in the path of the radiation just in front of the counter, the number of deflections recorded by the oscillograph increased markedly. This increase was due to particlesejected from the parafin wax so as to pass into the counter. [...] "