Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis 1975: Roland Hannaske

Die Entdeckung des Neutrons

Institut für Kern- und Teilchenphysik, TU Dresden Hauptseminar WS 2006/2007

Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis 1975:


Roland Hannaske 11.10.2006

Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

1

11. Oktober 2006

Einleitung Weg zum Neutron

ntdeckung

olgen Zusammenfassung Die

Entdeckung des Neutrons

Motivation Übersicht Alle Stoffe bestehen aus definierten kleinsten Teilchen, den Atomen. Leukipp und Demokrit (ca. 500 v.Chr.)

Zweierlei Vorstellungsarten: dynamisch und atomisch. Aus verschiedenen Vorstellungsarten entsteht ein neues Resultat; jeder hat die seine; jeder neigt mehr zu der einen oder der anderen herüber. Lukrez, Epikur bekannten sich zu der Vorstellungsart, die wir die atomistische oder chemische nennen möchten; in den realen Stoffen der Materie suchten sie Entstehung und Ordnungdurch Hilfe des Zufalls. Andere suchten es in einer unsichtbaren höheren Gewalt, in anregenden Kräften. Johann Wolfgang von Goethe

Die Physik erklärt die Geheimnisse der Natur nicht, sie führt sie auf tieferliegende Geheimnisse zurück. Carl Friedrich von Weizsäcker Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

2

11. Oktober 2006

Einleitung Weg zum Neutron

ntdeckung

olgen Zusammenfassung

Motivation Übersicht


Übersicht Auf dem Weg zum Neutron Entdeckungen und Vorhersagen bis 1932, Probleme, erste Experimente durch Bothe, Becker und das Ehepaar Joliot-Curie Die Entdeckung Chadwicks Experiment, Berechnung der Masse Die Folgen kontroverse Deutung, Nobelpreis Zusammenfassung Kurzbiographie Chadwicks, heutige Bedeutung und Eigenschaften des Neutrons, Quellenangaben


3

11. Oktober 2006

ng Weg zum Neutron En Physik bis 1932


Probleme

Bothe & Becker I. & F. Joliot-Curie

1808

Daltons atomhipotézis

1874

Stoney felveti az elektron létét

1895

A Röntgen sugarak felfedezése

1896

Zeeman-effektus, A radioaktivitás felfedezése (Bequerel)

1897

Az elektron kisérleti felfedezése J.J. Thomson

1898

Az alfa és bétasugárzás osztályozása (Rutherford)

1900

Gamma sugárzás felfedezése (Villard)

1903

Thomson atommodell

1905

Einstein (foto-effektus, relativitás elmélet)

1908

A béta-sugárzás elektronokból áll. Rutherford az alfa részecskéket a hélium atommaggal azonosítja

1909

Milikan kísérlet, az atommag felfedezése

1911

Rutherford atommodell


4

11. Oktober 2006

ng Weg zum Neutron En Physik bis 1932


Probleme


1913

Bohr atommodell, Franck-Hertz-kísérlet, Wilson ködkamra 1915

Sommerfeld

továbbfejleszti a Bohr Atommodellt 1919

Az első mesterséges magátalakítás, a proton kimutatása az atommagban, az első tömegspektrométer

1920

Rutherford megjósolja a neutront

1922

Compton-effektus, Stern-Gerlach kísérlet

1925

Pauli elv, Elektronspin az atom finomszerkezetének magyarázata, Schrödinger hullámmechanika, Heisenberg kvantummechanika

1927

Heisenberg hározatlanság

1928

Geiger-Müller cső, Dirac elmélet: Pozitron előrejelzése

1929

Van de Graff generátor, első részecskegyorsító

1930

Pauli posztulálja a neutrínot


5

11. Oktober 2006

des Neutrons

ysik bis 1932 Probleme Bothe & Becker I. & F. J o l i o t - C u r i e

Nitrogén –paradoxon - (1928) Mag-elmélet:

Magtömegszám: „A” Magtöltésszám: „Z”

Spin-koncepció

„A” proton és „A-Z” elektron A protonok és elektronok ½ -ed spinüek

■=> Feltevés: A nitrogén 14N Feles számú összspin ■=> Tapasztalat: A nitrogén 14N egész számú összspin

A magban lévő elektron határozatlansági relációja Magsugár:

a « 1 0 1 4 m = Ax

Impulzushatározatlanság:

Ax•Ap> h/47i

■=> Ap > 100 MeV/c

■=> E = A p• c = 100 MeV > EKötési ■=> Az elektron azonnal elhagyná a magot


6

11. Oktober 2006

ng Weg zum Neutron En ysik bis 1932 Probleme



1919-óta Rutherfordtól ismerjük:

a + 14N -» 17O + p

■=> vizsgálatok az (α,p)-reakciókra mint könnyű elemekre ■=> Be és Li jellegzetességei 1930

Walther Bothe és Herbert Becker Li, B, Be -t sugárzott be 5,3MeV-os Polóniumból származó alfa sugárzással. ■=> Nem észleltek protont de a G-M számláló működött ■=> Az ólomban csak gyenge elnyelődést tapasztaltak. Elnyelési együttható 0,22cm-1 (Összehsonlítás: 0,46cm -1 a 3-4MeV-os gamma sugárzás elnyelési együtthatója)

Magyarázat: y-sugárzás ■=> Li: rugalmatlan magreakció az alfa sugárzás hatására 13 ■=> Bór: 10B(a,p) 13C* C*^-13C + γ ■=> A berilium áthatoló sugárzást mutatott. A magátalakulást neutronbefogással gondolták

■=> Előzetes név: berillium sugárzás Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

7

11. Oktober 2006

ng Weg zum Neutron En ysik bis 1932 Probleme Bothe & Becker I. & F. Joliot-Curie

Irène és Frédéric Joliot-Curie: ■=> A berillium sugárzás protont lök ki a hidrogéntartalmú anyagokból

Polonium

Ólom


Parafin

Berillium

■=> Willson-kamrában közvetlenül megfigyelték a visszalökött protonokat ■=> Hatótávolság levegőben: 26 cm ■=> Energia 4,3MeV Feltevések: A Compton-effektushoz hasonló jelenség, γ-kvantumok és a protonok között ■=> γ Energia≈50MeV(5,3MeV-es Polonium alfa sugárzással)

Tonisa tíoTiskíimm er

■=> A visszalökött protonok száma 1000x nagyobb mint Klein-Nishina-képlet alapján várt eredmény


8

11. Oktober 2006


ng Weg zum Neutron Entdeckung F Messgeräte Messprinzip Massenbestimmung Schlussfolgerungen

Forrásedény: Polonoumforrás ezüstkorongon (Ø1cm) mögötte tiszta berilliumkorong (Ø2cm), vákuum létrehozásához csőcsonk. Ionizácós kamra: Nyílás (Ø13mm) alumínium fóliával letakarva (vastagsága 4-5cm levegővel egyenértékű), mélység 15mm, csekély háttérsugárzás: 7 beütés óránként,


9

11. Oktober 2006

n Entdeckung Folgen Zusammenfassung ssgeräte Messprinzip


Massenbestimmung Schlussfolgerungen

Első mérések: ■=> Forrásedény és az ionizációs kamra távolsága 3cm: 4 esemény percenként ■=> Fémlemez bevitele a detektor és a forrás közé (az ólomlemez vastagsága 2cm-ig növelve ) nincs említésre méltó változás ■=> 2mm vastag parafinlemez behelyezése a forrás és a detektor közé. A számláló jelentősen jelez. ■=> Egy abszorpciós görbe felvétele az alumíniumlemez segítségével (maximális hatótávolság 40cm) ■=> A proton abszorpciós görbéjével való összehasonlítás→a részecskét bizonyíthatóan azonosítják protonként ■=> A proton hatótávolság-sebesség görbéje: Emax=5,7MeV, vmax=3,3·109 cm/s Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07 10

11. Oktober 2006

des Neutrons

ssgeräte Messprinzip Massenbestimmung Schlussfolgerungen

Különböző anyagok:

■=> Az ionizációs kamra nyílása aranylemezzel lefedve (vastagsága 0,5mm Levegőegyenértékű)

■=> Lítium, Berillium, Bór, szén és nitrogén (paracianogén formájában) lettek mérőlapként felhelyezve, és direkt az ionizációs kamra elé elhelyezve.

■=> A beütési számok emelkedtek amikor a berillium-sugárzás keletkezett ■=> Az anyagokból kilépő részecskék kis hatótávolságúak (néhány mm levegőben)

■=> Többnyire erős ionizálás, A beütési szám magas a lassú protonokéhoz képest.

■=> Feltevés: A részecskék a besugárzott anyagok visszaverődő magjai. ■=> Hidrogént, héliumot, nitrogént, oxigént és argont vizsgáltak úgy hogy az ionizációs kamrába lettek töltve.

■=> A beütési számok emelkedtek amikor a berillium-sugárzást vizsgálták ■=> A beütési szám minden gáz esetében hasonló értékű. Nagysága visszalökődő magokra utal.


11

11. Oktober 2006

des Neutrons

ssgeräte Messprinzip Massenbestimmung Schlussfolgerungen

Első magyarázatok:

■=> γ-sugárzás hipotézis ■=> A maximális proton energiánál Emax=5,7MeV a γ-energia 55MeV ■=> A felszabadított ionok számának vizsgálata ugyanolyan γ-kvantumok mellett nem egyezett a kísérletekkel

■=> Neutron hipotézis ■=> Feltételezés hogy elektromosan semleges, a nagy áthatolóképességre magyarázat

■=> A magas beütésszám a bevitt hidrogéntartalmú anyagok esetében arra utal, hogy a tömeg a protontömeghez közeli érték

■=> A visszalökődő magok energiájának számított értéke az ütközés után egy hasonló részecskével megegyezik a kísérleti eredményekkel


12

11. Oktober 2006

Die Entdeckung des Neutrons n Entdeckung F ssgeräte Messprinzip Massenbestimmung Schlussfolgerungen

A neutrontömeg becslése:m: (minden tömeg relatív atomtömegben értendő) A visszalökődő mag maximális sebessége: vi = 2m / (m + Mi) ■ vn ■=> Az ismeretlen vn neutron sebesség meghatározása két különböző anyag mérése által. (pl, hidrogén és nitrogén) vp / vN = (m + MN) / (m + Mp) A mérési eredmények alapján vp=3,3·109 cm/s és vN = 4,7- 108 cm/s valamint MN = 14 és Mp = 1 m = 1, 1 5 érték adódik A hiba a sebesség mérésből adódik kb.: 10% ■=> A neutron tömeg közel azonos a proton tömeggel Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

13

11. Oktober 2006

gA neutrontömeg pontosabb meghatározása m: (minden tömeg relatív atomtömegben meghatározva) 11 B + 4He → 14N + n Energia tartalom: m(11B) + m(4He) + Ekin(4He) = m(14N) + m(n) + Ekin(14N) + Ekin(n) Tömegek m(B11) = m(He4) = m(N14) =

11,00825 ± 0,0016 4,00106 ± 0,0006 14,0042 ± 0,0028

kinetikus Energia in relatív atomtömeg alapján: α-részecskék: 0,00565 Neutron: 0,0035 Nitrogén: 0,00061 Eredmény m(n) = 1,0067 A mérési hiba becslése: Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

(A ma elfogadott érték *: 1,0083) A neutrontömeg nem kisebb mint 1,003 és És valóazínüleg 1,005 és 1,008 között van 14

11. Oktober 2006

n Entdeckung F ssgeräte Messprinzip Massenbestimmung


Schlussfolgerungen

Az anyagátalakulások viselkedésének becslése ■=> Nagyon kicsi elektromos mező, kivéve kis távolságokban (10 -12 cm) ■=> Eltérítés csak az anyag magján keresztül ■=> Feltételezve a Neutron behatol a magba és azon szóródik ■=> Potenciál:


15

11. Oktober 2006


Folgen Diskussion Nobelpreis

The neutron represents the first step in evolution of matter, the first step in the building up of the common materials of everyday life out of the primeval electrons and protons, [...] J. G. Crowther, Wissenschaftskorrespondent des Manchester Guardian, 27. Februar 1932 [brown]

[...] It is concluded that the radiation consists, not of quanta as hitherto supposed, but of neutrons, particles of mass 1, and charge 0. Evidence is given to show that the mass of the neutron is probably between 1·005 and 1·008. This, suggests that the neutron consists of a proton and an electron in close combination, the binding energy being about 1 to 2 x 106 electron volts. [...] Chadwick, Mai 1932 [roysoc]

So intimate is this union [between proton and electron] that the neutron takes on characteristics of ist own, which cannot be predicted from the original proton and electron. [...] Heisenberg, August 1932 [brown] Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

16

11. Oktober 2006


nleitung Weg zum Neutron Entdeckung Folgen Zusammenfassung Diskussion Nobelpreis

7. Solvay-Konferencia (1933), Téma: Az atommag felépítése

Plate 10 The Seventh Solvay Council, Brüssels, 1933, which was devoted to the atomic nucleus. [Names from left to right. Seated: Schrödinger, Irene Joliot-Curie, Bohr, Joffe, Marie Curie, Richardson, Langevin, Rutherford, De Donder, Maurice de Broglie, Louis de Broglie, Meitner and Chadwick. Standing: Henriot, Perrin, Frédéric Joliot-Curie, Heisenberg, Kramers, Stahel, Fermi, Walton, Dirac, Debye, Mott, Cabrera, Gamow, Bothe, Blackett, Rosenblum, Erra, Bauer, Pauli, Verschaffelt in front of Cosyns. Herzen, Cockcroft, Ellis, Peierls, Piccard, Lawrence and Rosenfeld.l Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

17

11. Oktober 2006


ng Weg zum Neutron Entdeckung Folgen Zusammenfassung Diskussion Nobelpreis

1932

új magelmélet Heisenbergtől: Magtömegszám A és magtöltésszám Z, a mag Z Protonból és A - Z Neutronból áll ■=> A Neutron ½ spinű: megmagyarázza a nitrogén 14N egészszámú spinjét!

1932

Urey felfedezi a Deuteriumot, Anderson felfedezi a Positront

1934

Oliphant létrehozza a Triciumot, A ß –bomlás elmélete, ß+-bomlás felfedezése, Chadwick megmérte a Neutron tömeget

1935

Csepp Modell és Bethe-Weizsäcker-Formula

1938

első

maghasadás

(Hahn

és

Straßmann)

1942

első kontrolált láncreakcio (Fermi)

1945

első Atombomba teszt, (Hiroshima und Nagasaki)


18

11. Oktober 2006

on Entdeckung Folgen Zusammenfassung


Diskussion Nobelpreis

This year the Nobel Prize for Physics is awarded as a reward for a discovery, confirmed in an experimental way, of a new fundamental building-stone of atoms and molecules, viz. the discovery of the so-called neutron. By a combination of intuition, logical thought, and experimental research Professor J. Chadwick, the laureate of this year, has succeeded in proving the existence of the neutron and establishing its properties. H. Pleijel, 10.12.1935 [nobel] 19


11. Oktober 2006

en Zusammenfassung Kurzbiographie Neutron heute Quellenangaben


Sir James Chadwick (20.10.1891 – 24.07.1974) 1908 Fizika tanulmányokat végez a Victoria University Manchester, Rutherford diákja, 1911-ben végez kitűnő eredménnyel, M.Sc. 1912 1913 Berlinben Geiger mellett kutat, Az első világháború alatt internálják, 1919-ben visszatér Angliába 1919 „Senior Research Student“ a Cavendish-Laboratoriumban, két részes doktorit ír az „Atommag és Erőtörvény“ címen úgy mint a Héliummag nagysága és formája. Ph.D. 1921, összekapcsolt kutatást végez a gammasugárzás természete és az atommag felépírése között, 1923 1925

Összeházasodik Aileen Stewart-Brownnal, 2 gyermek

1932

Neutron felfedezése, 1935-től Professzor a Liverpooli Egyetemen, Nobeldíj

1940

Ciklotron felépítése, Az angol atomfegyver programban dolgozik, 1943-tól a Manhattan-Projektben dolgozik, 1945-ben lovaggá ütik

1945-től Liverpool-ban épít ciklotront, az angol nukleárisenergia programm munkatársa, támogatója az angolok CERN-beli részesedésénak 1948

Master a Gonville és Caius College-ban a Cambridge-i Egyetemen, 1959ig a nyugalomba vonulásáig


20

11. Oktober 2006

en Zusammenfassung Kurzbiographie Neutron heute Quellenangaben

Tulajdonságok: Töltés Nyugalmi tömeg Nyugalmi Energia Spin 3. izospin komponens Mágneses momentum Landé-Faktor Átlagos élettartam Felépítés

Neutron |Q| < 5•10-15e 1,008 664 915 78(55) u 939,565 330(38) MeV ½ -½ -0,966 236 40(23)·10-26 J T-1 -3,8162 887,6 s (szabad Neutron)

Alkotórészek Kölcsönhatások Hauptseminar IKTP TU Dresden WS 2006/07

Proton (Összehasonlításhoz) 1,602 176 462(63)·10-19 C 1,007 276 466 88(13) u 938,271 998(38) MeV ½ ½ 1,410 606 633(58)·10-26 J T-1

5,5855 stabil vagy kb. 1031a

Hadron, Fermion, Baryon gravitació, elektromágneses, gyenge, erős 21

11. Oktober 2006

nleitung Weg zum Neutron Entdeckung Fol Zusammenfassung

Die

Entdeckung

des Neutrons

Kurzbiographie Neutron heute Quellenangaben

Értelmezés: Részecske fizika: Magfizika: Astrofizika: Szilárd test fizika:

Belső felépítés Magmodell, Szonda, Aktivizásmérés Neutroncsillagok Neutronszórás

Gyógyászat:

Bor-Neutron-befogásos-Terápia

Magenergia:

Maghasadás, Magfúzió

Hadászat:


Atomfegyver

22

11. Oktober 2006

Zusammenfassung Kurzbiographie Neutron heute Quellenangaben


Literatur: Beckurts, K. H./Wirtz, K.: Elementare Neutronenphysik, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1958 Brown, Andrew: The Neutron and the Bomb. A biography of Sir James Chadwick, Oxford University Press, Oxford/New York/Tokyo 1997 Solbrig, Heinrich u.a.: Struktur der Materie, VEB Bibliographisches Institut, Leipzig 1982 Wlassow, N. A.: Neutronen, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1959

Internet: [nature]

Chadwick, James: Possible Existence of a Neutron, Nature, 129, 312 (verfasst am 17.02.1932, veröffentlicht am 27.02.1932)

http://deutsche.nature.com/physics/15.pdf [roysoc]

Chadwick, James: The Existence of a Neutron, Proceedings of the Royal Society A, 142, 1-25 (eingegangen am 10.05.1932 )

http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Chadwick-1932/Chadwick-neutron.html [nobel]

Presentation Speech by Professor H. Pleijel, Nobel Prize ceremonies 10.12.1935

http://nobelprize.org/nobel prizes/physics/laureates/1935/press.html


23

11. Oktober 2006

Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis 1975: Roland Hannaske

Recommend Documents