Kernphysik - Grundlagen

Kern-/Teilchenphysik

Kernphysik - Grundlagen

  • Wie sind Atomkerne aufgebaut?
  • Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
  • Warum können Atomkerne zerfallen?
  • Was sind Isotope?

Chadwick - Originalarbeit

NATURE  
[FEBRUARY 27, 1932
Letters to the Editor
 
[The Editor does not hold himself responsible for opinions expressed by his correspondents. Neither can he undertake to return, nor to correspond with the writers of, rejected manuscripts intended for this or any other part of NATURE. No notice is taken of anonymous communications.]

Possible Existence of a Neutron

IT has been shown by Bothe and others that beryllium, when bombarded by a-particles of polonium emits a radiation of great penetrating power, which has an absorption coefficient in lead of about 0.3 (cm.)-1. Recently Mme. Curie-Joliot and M. Joliot found, when measuring the ionisation produced by this beryllium radiation in a vessel, with a thin window, that the ionisation increased, when matter containing hydrogen was placed in front of the window. The effect appeared to be due to the ejection of protons with velocities up to a maximum of nearly 3·103 cm per sec. They suggested that the transference of energy to the proton was by a process similar to the Compton effect, and estimated that the beryllium radiation had a quantum energy of 50·106 electron volts.

I have made some experiments using the valve counter to examine the properties of this radiation excited in beryllium. The valve counter consists of a small ionisation chamber connected to an amplifier, and the sudden production of ions by the entry of a particle, such as a proton or a-particle, is recorded by the deflexion of an oscillograph. These experiments have shown that the radiation ejects particles from hydrogen, helium, lithium, beryllium, carbon, air, and argon. The particles ejected from hydrogen behave, as regards range and ionising power, like protons with speeds up to about 3.2·109 cm. per sec. The particles from the other elements have a large ionising power, and appear to be in each case recoil atoms of the elements.

If we ascribe the ejection of the proton to a Compton recoil from a quantum of 52·106 electron volts, then the nitrogen recoil atom arising by a similar process should have an energy not greater than about 400,000 volts, should produce not more than about 10,000 ions, and have a range in air at

 

N.T.P. of about 1.3 mm. Actually, some of the recoil atoms in nitrogen produce at least 30,000 ions. In collaboration with Dr. Feather, I have observed the recoil atoms in an expansion chamber, and their range, estimated visually, was sometimes as much as 3 mm. at N.T.P.

These results, and others I have obtained in the course of the work, are very difficult to explain on the assumption that the radiation from beryllium is a quantum radiation, if energy and momentum are to be conserved in the collisions. The difficulties disappear, however, if it be assumed that the radiation consists of particles of mass 1 and charge 0, or neutrons. The capture of the a-particle by the Be9 nucleus may be supposed to result in the formation of a C12 nucleus and the emission of the neutron. From the energy relations of this process the velocity of the neutron emitted in the forward direction may well be about 3·109 cm. per sec. The collisions of this neutron with the atoms through which it passes, give rise to the recoil atoms, and the observed energies of the recoil atoms are in fair agreement with this view. Moreover, I have observed that the protons ejected from hydrogen by the radiation emitted in the opposite direction to that of the exciting a-particle appear to have a much smaller range than those ejected by the forward radiation.

This again receives a simple explanation on the neutron hypothesis.

If it be supposed that the radiation consists of quanta, then the capture of the a-particle by the Be9 nucleus will form a. C13 nucleus. The mass defect of C13 is known with sufficient accuracy to show that the energy of the quantum emitted in this process cannot be greater than about 14·106 volts. It is difficu1t to make such a quantum responsible for the effects observed.

It is to be expected that many of the effects of a. neutron in passing through matter shou1d resemble those of a. quantum of high energy, and it is not easy to reach the final decision between the two hypotheses. Up to the present, all the evidence is in favour of the neutron, while the quantum hypothesis can only be uphold if the conservation of energy and momentum be relinquished at some point.

J. CHADWICK. Cavendish Laboratory,

Cambridge, Feb. 17. 1932


Entdeckungsgeschichte des Neutrons

von Unbekannt [Public domain], via Wikimedia Commons

Nach der Entdeckung der Kern-Hülle-Struktur des Atoms war man zunächst der Meinung, dass der Kern aus Protonen aufgebaut sei. Um die Unterschiede zwischen der Kernladungszahl Z und der Massezahl A erklären zu können (z.B. bei Helium: Z = 2 und A = 4) nahm man zunächst an, dass sich im Kern auch Elektronen aufhalten, welche die positive Ladung der Protonen teilweise kompensieren. Die Annahme von "Kernelektronen" würde ganz zwanglos auch den ß--Zerfall erklären können. Verschiedene Überlegungen - u.a. auch mit der heisenbergschen Unschärferelation - zeigen jedoch, dass es keine "Kernelektronen" geben kann. Schon 1920 vermutete Ernest Rutherford ein "neutral doublet" ein neutrales Teilchen, das etwa die Masse des Protons haben sollte. Wie so oft in der Teilchenphysik sollte das postulierte Teilchen erst viele Jahre später gefunden werden.

  • Im Jahre 1930 entdeckten Bothe (Nobelpreis 1954) und sein Student Becker beim Beschuss der leichten Materialien Beryllium, Bor und Lithium mit den Alphateilchen des radioaktiven Präparats Polonium eine sehr durchdringende, elektrisch neutrale Strahlung, die in Blei eine Halbwertsdicke von ca. 5 cm aufwies (zum Vergleich: die harte Gammastrahlung des Thorium hat bei Blei nur eine Halbwertsdicke von 1,5 cm). Man nannte die Strahlung zunächst "Beryllium-Strahlung", da ihre Identität noch unbekannt war.


Walter Bothe
1891 - 1957

    • Bei Experimenten mit der Beryllium-Strahlung stellten Irene und Frederic Joliot-Curie (Irene war die Tochter von Marie Curie) ein Jahr später - also 1931 - folgende Tatsache fest: Lässt man die Beryllium-Strahlung in eine Ionisationskammer treffen, so zeigt diese keinen nennenswerten Strom an. Bringt man jedoch vor die Ionisationskammer eine wasserstoffhaltige Materialschicht (z.B. Paraffin), dann steigt der Strom in der Kammer stark an. Die untenstehende Animation zeigt den prinzipiellen Versuchsablauf.

    Ehepaar Joliot-Curie

     

    3 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des Versuchs des Ehepaars JOLIOT-CURIE

    Als Ursache für den Stromanstieg in der Ionisationskammer vermutete das Ehepaar Joliot-Curie, dass aus dem wasserstoffhaltigen Paraffin Protonen durch die "Beryllium-Strahlung" herausgelöst werden, welche dann in der Ionisationskammer die notwendige Ionisierung bewirken. Sie konnten ihre Vermutung sogar durch den Nachweis sogenannter "Rückstoß-Protonen" in der wilsonschen Nebelkammer belegen.

    4 Kollision eines Gammaquants mit einem Proton als Hypothese des Ehepaars JOLIOT-CURIE zur Erklärung der Beobachtung in ihrem Versuch

     

     

    Als Auslöser für die Rückstoß-Protonen vermuteten Joliot-Curie einen dem Comptoneffekt verwandten Vorgang. Die harte Gamma-Strahlung sollte den Protonen den notwendigen Impuls übertragen. Abschätzungen zeigten jedoch, dass zur Erzeugung eines Rückstoßprotons, dessen Spurlänge in der Nebelkammer ca. 26 cm betrug, eine Gammaenergie von etwa 50 MeV notwendig wäre, was ziemlich unrealistisch erscheint.

      • Chadwick - ein Schüler Rutherfords - glaubte wie sein Lehrmeister nicht an einen "Comptoneffekt beim Proton" und nahm an, dass die "Beryllium-Strahlung" aus Neutronen besteht. In seinem berühmten Versuch gelang es ihm 1932 nachzuweisen, dass das Neutron in etwa die Protonenmasse besitzt.


      James Chadwick
      1891 -1974

      Hinweise auf empfehlenswerte Seiten:

      Druckversion