За частиците

    Представата за атомите като най-малките неделими частици на веществото (от атомос (гр.) - неделим) възниква още в древността по времето на Демокрит, Епикур, Лукреций. В средните векове, характеризиращи се с безграничното господство на църквата, материалистичните представи за атома не получават признание и развитие. В началото на ХVІІІ в. атомната теория става все по-популярна. Това се дължи на изследванията на учените А. Лавоазие (френски химик), М. В. Ломоносов и Д. Далтон, които доказват реалното съществуване на атома. Обаче все още не възниква въпросът за вътрешния строеж на атома. Както и преди продължавало да се мисли, че той е неделим.

    Голяма заслуга за развитието на атомната тоерия има Д. И. Менделеев, който през 1869 г. разработва периодичната система на елементите, където за първи път въпросът за единната природа на атомите е поставен на научна основа.

Катодните лъчи

В края на 19 век физиците, и особено Филип Ленард, изучават един феномен, който се състои в следното:

    Когато катодът се нагрее, излъчваните от него частици се движат към анода под действието на електрическото поле. Ако стъклената стена зад анода е покрита с флуоресцентен материал, тя свети. Ако между двата електрода има механична преграда с някаква форма, нейната сянка се изобразява върху светещата стена. Изводът е, че частиците, напускащи катода, се движат по линейна траектория. Затова получават името катодни лъчи, но последващи опити установяват, че това са електрони. Фактът, че те се емитират от катода, означава, че електрическият им заряд е отрицателен.

    Катодните лъчи се разпространяват по права траектория в отсъствие на прегради, но могат да се отклоняват от електрическо или магнитно поле, получени чрез поставяне на външни електроди или магнити.

Откриване на електрона

    През 1897 г. Джоузеф Джон Томсън открива съществуването на електрони чрез експериментите си с т.нар. катодни лъчи.

    От запоен стъклен балон, наречен тръба на Крук, се изтегля въздуха и се получава вакуум. В балона са монтирани електроди и при подаване на напрежение се генерират катодните лъчи, които създават светещо петно на мястото, където попадат върху балона. Томсън открива, че катодните лъчи могат да се отклоняват чрез прилагането на електрично поле (в допълнение на отклоняването им от магнитно поле, което е вече известно). Неговото заключение е, че тези лъчи не са някаква форма на светлината, а представляват много малки частици с отрицателен електричен заряд които той нарича корпускули (по-късно те са преименувани на електрони от ирландския физик Джордж Джоунстън Стоуни през 1891 г.).

Опит на Миликен

    През 1910 година Р. Миликен (Robert Milikan) провежда първият експеримент за определяне на елементарния електричен заряд. Схема на постановката е показана на фигурата.

 

от: https://www.charge.hit.bg/pief.html

 

 

 

 

 

    Тя представлява плосък кондензатор, в горната плоча на който има отвор. Той е свързан с регулируем източник на напрежение, което се измерва с волтметър. През отвора с пулверизатор се впръскват капчици. Молекулите на част от тях при пулверизацията се йонизират. По този начин капчиците получават електричен заряд Q. С помощта на оптична система може да се наблюдава поведението им. На всяка капка действа гравитационна сила с големина Fg = mg. Под въздействието й капката се насочва надолу. Когато между плочите на кондензатора се подаде напрежение, върху капката започва да действа и електрична сила Fe = QE = QU/d, където U е подаденото напрежение, а d - разстоянието между плочите. Напрежението може да се регулира така, че двете сили взаимно да се уравновесят:

mg = QU/d

или за т.нар. специфичен заряд на капката се получава:

Q/m = gd/U

Като направим повече измервания на различни капки (всяка от които може да бъде с различен заряд, но нека да са с еднакви маси) ще получим стойности за специфичните им заряди.

Q1/m, Q2/m, Q3/m, Q4/m, ....

тези стойности се отнасят една към друга като цели числа понеже са кратни на елементарния електричен заряд: Qn = Ze. Масата на капчицата определяме от плътността й ρ и от радиуса й r.

m = 4/3.π.r3

Обяснението на опита, което дадохме е опростено. В действителност точното определяне на масата на капчиците е трудно, защото техният обем не може да се определи точно.

Да припомним: Големината на заряда на електрона е e = 1,602.10-19 C и се нарича елементарен електричен заряд.

Откриване на ядрото

    Томсън счита, че частиците се появяват от газовите молекули около катода. Така той стига до заключението, че атомите са делими и са съставени от корпускули. За да обясни отрицателния им заряд, той предполага че те са разположени в облак от положителен заряд и наподобява този модел на пудинг със стафиди (на английски: plum pudding model).

    И така, в края на 19 век се счита, че атомът е подобен на пудинг със стафиди: веществото с положителен заряд запълва равномерно целия атом; а електроните са разпръснати в това вещество като стафиди в пудинг.

    Томсоновият модел обаче бързо е опроверган през 1909 г. от един от неговите студенти, Ърнест Ръдърфорд, който открива експериментално, че почти цялата маса и положителният заряд на атома са концентрирани в една много малка част от неговия обем, която той приема, че се намира в центъра му.

    В експеримента на Ханс Гайгер и Ернст Марсден (сътрудници на Ръдърфорд) тънко златно фолио се бомбардира с алфа-частици и тяхното отклонение се измерва върху флуоресцентен екран. Като отчитат изключително малката маса на електроните, големия импулс на алфа-частиците и равномерното разпределение на електроните според модела на Томсън, експериментаторите очакват всички алфа- частици да преминат през фолиото, без да се отклоняват значително. За тяхна изненада, една малка част от алфа частиците се отклоняват твърде силно (виж илюстрацията).

           

    Поради това Ръдърфорд предлага нов модел на атома - модел на Ръдърфорд или планетарен модел — в който облак от електрони обикалят около малко компактно атомно ядро с положителен заряд. Единствено такава концентрация на заряд би породила електрично поле с достатъчна сила, за да причини наблюдаваното отклонение.

Откриване на протона

    През 1918 г. от Ърнест Ръдърфорд открива протона. Той забелязва, че при изстрелване на алфа-частици в газообразен азот сцинтилационните детектори отчитат, че вследствие на това облъчване се отделя водород. Ръдърфорд решава, че единственото място, от което може да е дошъл този водород, е азотът, което ще означава, че азотът съдържа водородни ядра. Поради това той предполага, че водородното ядро, за което и преди се е знаело, че има атомен номер 1, трябва да е елементарна частица. Ръдърфорд нарича тази частица протон, от „πρώτος“ ("протос"), която е гръцката дума за „първи, основен“. Отбелязва се и с  .

Откриване на неутрона

    През 1930 г. двама немски физици - Валтер Боте и Х. Бекер, съобщават за едно ново загадъчно излъчване от ядрото с необикновено голяма проникваща способност, явило се в резултат на бомбардировка на берилиеви атоми с алфа-частици.

    Две години по-късно откритието на Боте и Бекер било последвано от френските физици Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Те приложили новооткритото излъчване от берилия при бомбардирането на парафин - излъчването избило протони от парафина. 

    Английският физик Джеймс Чадуик бързо се досетил, че това излъчване предствалява частици. За да определи размерите им, той бомбардира с тях атоми на бора и от нарастването на масата на новото ядро изчислил, че частицата, която се присъединява към бора, е с маса, почти равна на тази на протона. И все пак самата частица не се откривала в Уилсъновата кондензационна камера. Чадуик решил, че причината вероятно се крие в това, че частицата няма електричен заряд. Годината е 1932.
    И така, Чадуик заключил, че частицата е нова и е с маса, почти равна на масата на протона, но няма заряд, или, с други думи, частицата е електронеутрална. Затова било предложено да се нарича неутрон.
    За откриването на неутрона на Джеймс Чадуик е присъдена Нобелова награда за физика през 1935 г. 


 

 

 Неутриното и антинеутриното  

    В средата на 20. век физиците откриха т.нар. античастици (виж "Антиматерия"). Това обаче не ги смутило; напротив, наличието им е радващо потвръждение на симетричността на Вселената. Последвалите открития показали, че електронът, протонът и неутронът не са единствените елементарни частици.

    Първото усложнение се появило още преди откриването на неутрона. То било свързано с бета-излъчването от радиоактивните ядра (виж урока "Алфа-, бета- и гама-излъчване"). При този вид разпадане сякаш се нарушавал законът за запазване на енергията. Стигнало се дотам, че Нилс Бор бил готов да се откаже от действието на този закон при елементарните частици. През 1931 г. обаче Волфганг Паули предложил едно решение на загадката. Той изказал предположението, че освен бета-частица при бета-разпадането се получава още една частица, която отнася липсващата енергия. Тази мистериозна частица имаше твърде странни свойства. Тя нямаше нито заряд, нито маса; единственото нещо, с което разполагаше  при полета си със скоростта на светлината, беше известно количество енергия. Италианският физик Енрико Ферми предложил да я нарекат "неутрино".

   Получаването на неутрино става при пръвръщане на протон в неутрон, при което продуктите са неутрон (частица), позитрон (античастица) и неутрино (частица): 

    Основен източник на неутрино са звездите. С напредването на звездата в еволюционния й курс към състояние на все по-горещо и по-горещо ядро все по-голяма и по-голяма част от енергията й се отделя чрез неутрино-частиците. Изчисленията показват, че едно неутрино със средна енергия може да премине през олово с дебелина 100 светлинни години и вероятността да бъде погълнато е само 50%. Това означава, че всички неутрина, образувани в центъра на Слънцето, го напускат веднага със скоростта на светлината, достигат за по-малко от 3 секунди слънчевата повърхност без взаимодействие, и отлитат нататък.

    Антинеутриното е античастицата на неутриното. То се получава при превръщането на един неутрон, при което се получават протон, електрон и антинеутрино:

    Най-важните източници на антинеутриното са радиоактивността и деленето на ядрото на урана.


    Детекторът SNO  е заровен в мина в Съдбъри, Канада. Този експеримент използва голям резервоар, пълен с тежка вода. Тежката вода съдържа деутерий вместо обикновен водород (протий). Деутерият има в ядрото си един протон и един неутрон за разлика от протия, чието ядро се състои само от един протон.
    При сблъсък на неутрино от някой аромат с деутериевото ядро са възможни два резултата. Ако неутриното е електронно, то може да предизвика превръщането на неутрона в протон и електрон. Отделно всеки от ароматите може да предизвика разделянето на протона и неутрона в деутерия, тоест получава се обикновен водород и свободен неутрон.
Супер Камиоканде (или Супер-К за по-кратко) е неутрино обсерватория в Япония. Нейното предназначение е да търси разпадащи се протони, да изучава слънчевите и атмосферни неутрино и да следи за избухвания на свръхнови в нашата галактика.

    По този начин SNO експериментът потвърждава както общото количество на слънчевите неутрино, така и относителния дял на електронния аромат. SNO доказва, че общият неутринен поток от Слънцето е точно такъв, какъвто се очаква да бъде.