70 χρόνια από την ανακάλυψη του νετρονίου

Άρθρο, Ιανουάριος 2002

Η ανακάλυψη του νετρονίου, από τον Βρετανό φυσικό James Chadwick (1891-1974), αντίθετα από άλλες που συμβαίνουν μέσα σε μια νύχτα, όπως εκείνη των ακτίνων-Χ, απαίτησε δύο χρόνια. Μπορεί δε να θεωρηθεί πως μοιάζει με ένα σενάριο μιας δραματικής ιστορίας.

Η ιστορία του ξεκινάει από το 1920, την εποχή που ο Rutherford είχε επανειλημμένως σκεφθεί και συζητήσει με τους μαθητές του, την πιθανότητα να υπάρχει ένα ουδέτερο σωμάτιο με μάζα ίση προς εκείνη του πρωτονίου. Φανταζόταν το σωμάτιο ως ένα άτομο υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο του οποίου είχε πέσει στον πυρήνα, εξουδετερώνοντας το ηλεκτρικό του φορτίο.

Αν και η σκέψη του Rutherford φαντάζει σήμερα εξωπραγματική, ας μην ξεχνάμε ότι, επί τριάντα χρόνια, οι φυσικοί θεωρούσαν ότι ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα μοναδικά γνωστά υποατομικά σωματίδια της εποχής εκείνης. Για παράδειγμα, ο πυρήνας του αζώτου που έχει μάζα 14, έπρεπε να αποτελείται από 14 πρωτόνια.

Από την άλλη πλευρά, όμως, ο πυρήνας του αζώτου έχει φορτίο + 7 , ενώ τα δεκατέσσερα πρωτόνια έχουν φορτίο + 14. Γι' αυτό θα έπρεπε ο πυρήνας αυτός να έχει και επτά ηλεκτρόνια, με φορτίο -1 το καθένα, τα οποία θα εξουδετερώνουν το φορτίο των επτά πρωτονίων. 'Ετσι, οι φυσικοί πίστευαν ότι ο πυρήνας του αζώτου αποτελείται από 14 πρωτόνια και 7 ηλεκτρόνια, δηλαδή 21 σωματίδια, συνολικά.

Ωστόσο, όταν ο Goudsmit, νωρίτερα, επινόησε την έννοια του σωματιδιακού σπιν, έγινε φανερό ότι η ιδέα αυτή για τον πυρήνα έπρεπε να ήταν λανθασμένη. Τόσο τα πρωτόνια όσο και τα ηλεκτρόνια έχουν σπιν είτε +1/2 είτε -1/2. Αν προστεθούν 21 τέτοια σπιν (ή και οποιοσδήποτε άλλος περιττός αριθμός τέτοιων σπιν), και ανεξάρτητα από την κατανομή των συν και των πλην, το συνολικό σπιν θα έχει μη ακέραια τιμή. Ωστόσο, οι μετρήσεις είχαν αποδείξει ότι το σπιν του πυρήνα του αζώτου έχει ακέραια τιμή. Επομένως, ο πυρήνας πρέπει υποχρεωτικά να περιέχει άρτιο αριθμό σωματιδίων. Η ίδια ανωμαλία εμφανιζόταν και σε άλλους πυρήνες.

Αν όμως θεωρήσουμε ένα συνδυασμό πρωτονίου-ηλεκτρονίου και τον θεωρήσουμε ως ενιαίο σωματίδιο, τότε ο πυρήνας του αζώτου θα περιέχει επτά πρωτόνια και επτά συνδυασμούς πρωτονίου-ηλεκτρονίου, δηλαδή δεκατέσσερα σωματίδια, συνολικά, δηλαδή έναν άρτιο αριθμό σωματιδίων.

'Ενας τέτοιος συνδυασμός πρωτονίου-ηλεκτρονίου θα έχει την μάζα μεν ενός πρωτονίου αλλά δεν θα φέρει κανένα ηλεκτρικό φορτίο. Αν όμως υπήρχε ένα τέτοιο ουδέτερο σωματίδιο, θα ήταν δύσκολο να εντοπισθεί, γιατί όλες οι διατάξεις για τον εντοπισμό υποατομικών σωματιδίων στηρίζονταν στο φορτίο αυτών των σωματιδίων .

Η ανακάλυψη των περίεργων ακτίνων

Αλλά αργότερα, το 1928, ο Walther Bothe (μαθητής του Plank) και ο μαθητής του Herbert Becker έκαναν το πρώτο βήμα προς την κατεύθυνση της ανακάλυψης του νετρονίου, όταν βομβάρδισαν βηρύλλιο με σωμάτια άλφα, που προέρχονταν από πολώνιο. Σκοπός τους ήταν να επιβεβαιώσουν τις διασπάσεις που είχε παρατηρήσει ο Rutherford και να ανακαλύψουν, αν αυτές συνοδεύονταν από εκπομπή ακτίνων γ μεγάλης ενέργειας.

Χρησιμοποιώντας απαριθμητές, ανακάλυψαν μια άγνωστη σε αυτούς, διεισδυτική ακτινοβολία, την οποία ερμήνευσαν ως "ακτινοβολία γάμμα". Η ακτινοβολία αυτή δεν προκαλούσε την αντίδραση των διατάξεων ανίχνευσης των φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό σήμαινε πως δεν είχαν κανένα φορτίο και γι' αυτό πίστευαν πως ήταν ένα είδος γ-ακτινοβολίας.

Στη συνέχεια, προσπάθησαν να μετρήσουν το συντελεστή απορρόφησης αυτών των "ακτίνων γάμμα", ώστε να εκτιμήσουν την ενέργειά τους. Κατόπιν, επέκτειναν τις παρατηρήσεις τους στο λίθιο και το βάριο και συμπέραναν ότι οι παρατηρούμενες "ακτίνες γ" είχαν μεγαλύτερη ενέργεια από τα προσπίπτοντα σωμάτια άλφα. Η ενέργεια αυτή όμως έπρεπε να προέρχεται από πυρηνική διάσπαση. Η έρευνα αυτή κράτησε επί δύο χρόνια για να μπορέσουν να βρουν την αληθινή φύση των ακτίνων αυτών.

Την εποχή αυτή, το ζεύγος Iren Curie (κόρη του ζεύγους Μαρί και Πιέρ Κιουρί) και ο σύζυγός της Frederic Joliot, και οι δύο σπουδαίοι επιστήμονες με κλίση στην φυσική, αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν το εξαιρετικά ισχυρό δείγμα πολωνίου που είχαν, για να μελετήσουν τη διεισδυτική ακτινοβολία που ανέφερε ο Bothe.

Στις 18 Ιανουαρίου του 1932 ανέφεραν μια καταπληκτική παρατήρηση, η οποία είχε μεγάλη σημασία. Η ακτινοβολία αυτή μπορούσε να προκαλέσει εκπομπή πρωτονίων από ένα στρώμα παραφίνης. Η ανακάλυψη αυτή που έγινε σ' ένα θάλαμο ιονισμού, ο οποίος ήταν συνδεδεμένος μ' ένα ηλεκτρόμετρο, τους φάνηκε όμως τόσο παράξενη, ώστε προσπάθησαν να την επιβεβαιώσουν αμέσως και σ' ένα θάλαμο νεφώσεων.

Έτσι, στις 22 Φεβρουαρίου, δημοσίευσαν τα αποτελέσματα της δεύτερης αυτής παρατήρησης, τα οποία επιβεβαίωναν την εκπομπή πρωτονίων.

Γιατί όμως ήταν τόσο παράξενο το γεγονός ότι οι διεισδυτικές "ακτίνες-γ" του Bothe μπορούσαν να αποσπούν πρωτόνια από την ύλη;

Όπως όταν μια μπάλλα του μπιλιάρδου, κτυπήσει μια άλλη και τότε και οι δύο αναπηδούν εύκολα λόγω της ίσης μάζας τους, έτσι έπρεπε να κτυπήσει το πρωτόνιο, στην παραφίνη, ένα σωμάτιο ίσης περίπου μάζας.

Το ζεύγος των Κιουρί και Ζολιό, που προσπάθησε να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του, ως ειδικό φαινόμενο Cοmptοn (που ήταν τότε ένα γνωστό φαινόμενο, το οποίο προκαλούσε την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου), έκαναν μια απίθανη πρόταση για την ενέργεια που έπρεπε να έχουν οι προσπίπτουσες υποθετικές "ακτίνες-γ".

Συγκεκριμμένα υπολόγισαν ότι η ενεργός διατομή κρούσης που έπρεπε ν' αποδοθεί σ' αυτές τις ακτίνες, ήταν περίπου 3 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη που αναμενόταν, με επέκταση του υπολογισμού που ίσχυε για το ηλεκτρόνιο.

Πολλοί φυσικοί όπως ο Rutherford δεν πίστεψαν την προτεινόμενη ερμηνεία του, αλλά άλλοι όπως ο Ετόρε Ματζιοράνα, ένας νεαρός φυσικός στη Ρώμη, σχολίασε "Τι ατυχία! Ανακάλυψαν το ουδέτερο πρωτόνιο και ούτε που το πήραν είδηση".

Ο James Chadwick

Ο φυσικός H. Chadwick στο εργαστήριο Cavendish έκανε κάτι παραπάνω από τους άλλους, επανέλαβε τα πειράματα χρησιμοποιώντας πολώνιο και βηρύλλιο ως πηγή, προκαλώντας κρoύσεις της αναδυόμενης ακτινοβολίας, όχι μόνο με υδρογόνο αλλά και με ήλιο και άζωτο.

Υποστήριξε δε ότι ο καλύτερος τρόπος για να εξηγηθεί αυτή η ακτινοβολία θα ήταν να γίνει δεκτό ότι τα σωματίδια α αποσπούν ουδέτερα σωματίδια από τον πυρήνα του βηρυλλίου. Τα σωματίδια αυτά δεν μπορούν να εντοπισθούν απευθείας, αφού δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αλλά επειδή αυτά στη συνέχεια αποσπούν πρωτόνια από τους ατομικούς πυρήνες της παραφίνης, τα πρωτόνια αυτά μπορούν να εντοπισθούν λόγω του φορτίου τους. Μια ακτινοβολία λοιπόν που έχει την ικανότητα να αποσπά πρωτόνια πρέπει να αποτελείται από σωματίδια, που η μάζα τους να έχει την ίδια περίπου τιμή με την μάζα του πρωτονίου.

Συγκρίνοντας λοιπόν τις ανακρούσεις, κατόρθωσε να αποδείξει ότι η ακτινοβολία περιείχε ένα ουδέτερο συστατικό, με μάζα περίπου ίση προς εκείνη του πρωτονίου.

Το σωμάτιο αυτό ο Chadwick το ονόμασε νετρόνιο, κι έστειλε για δημοσίευση τα αποτελέσματά του στο περιοδικό Nature στις 17 Φεβρουαρίου 1932, στην οποία υποστήριζε ότι η ακτινοβολία του βηρυλλίου ήταν το αποτέλεσμα της αντίδρασης:
₂He⁴ + ₄Be⁹--->C¹² + ₀n¹.  

Για την ανακάλυψη του νετρονίου, ο Chadwick τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1935.

Ενώ η Κιουρί και ο Ζολιό έχασαν έτσι μια μεγάλη ανακάλυψη.

'Ενας από τους λόγους της επιτυχίας του Chadwick, που εξηγεί και την ταχύτητα με την οποία αυτός έδρασε, ήταν ότι είχε εξοικειωθεί περισσότερο με την έννοια του νετρονίου. Μάλιστα είχε προσπαθήσει και πριν να παράγει νετρόνια με ισχυρές ηλεκτρικές εκκενώσεις και με άλλες μεθόδους. Στην εργασία του, που αναφέρεται στην ανακάλυψη του νετρονίου, ισχυρίζεται: "Μερικά από τα πειράματα αυτά ήταν τελείως παράλογα". Χάρη στη μεγάλη πίστη του, όταν εμφανίστηκε, το αντιλήφθηκε αμέσως. Αυτά είναι τα διακριτικά γνωρίσματα ενός μεγάλου πειραματικού φυσικού.

Με τον πυρήνα πρωτονίων-νετρονίων εξαλείφθηκαν όλες οι ανωμαλίες που είχαν παρατηρηθεί σε σχέση με τα σπιν των πυρήνων διαφόρων στοιχείων.

Επί πλέον , ο πυρήνας πρωτονίων-νετρονίων εξηγούσε πολύ απλά το φαινόμενο των ισοτόπων. Παραδείγματος χάριν, ο πυρήνας όλων των ατόμων οξυγόνου πρέπει να περιέχει οκτώ πρωτόνια. Ωστόσο, ο πυρήνας του συνήθους οξυγόνου-16 περιέχει οκτώ πρωτόνια και οκτώ νετρόνια, ο πυρήνας του οξυγόνου-17 οκτώ πρωτόνια και εννέα νετρόνια, και ο πυρήνας του οξυγόνου-18 οκτώ πρωτόνια και δέκα νετρόνια.

Αυτή η νέα θεώρηση του πυρήνα μπορεί να έλυσε το πρόβλημα των σπιν, δημιούργησε όμως ένα άλλο πρόβλημα. Αφού ο μικροσκοπικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια, τα οποία έχουν θετικό φορτίο, θα πρέπει να αναπτύσσονται ισχυρές απωστικές δυνάμεις μεταξύ τους. Τα νετρόνια, αφού δεν έχουν φορτίο, δεν θα μειώνουν την άπωση αυτή.

Αλλά, τότε, πώς είναι δυνατόν να εξηγηθεί το γεγονός ότι ο πυρήνας έχει τόσο μεγάλη συνοχή; (Στο παρελθόν τα ηλεκτρόνια μέσα στον πυρήνα έπαιζαν τον ρόλο της "συγκολλητικής ύλης").

Τα νετρόνια σημειωτέον είναι σταθερά όταν δεσμεύονται μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, ενώ έχουν μια μέση διάρκεια ζωής περίπου 1000 δευτερολέπτων ως ελεύθερα σωματίδια. Σε ελεύθερη κατάσταση υφίσταται ραδιενεργό διάσπαση βήτα, με χρόνο υποδιπλασιασμού 12 περίπου λεπτών παρέχοντας ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο.

Ο Heisenberg υποστήριξε ότι είναι δυνατόν να υπάρχουν κάποιες δυνάμεις ανταλλαγής. Με άλλα λόγια, μπορεί το πρωτόνιο και το νετρόνιο να ανταλλάσσουν σωματίδια κατά τέτοιο τρόπο ώστε να παράγεται μια ισχυρή έλξη, αφού, για να πραγματοποιείται η ανταλλαγή των σωματιδίων, το πρωτόνιο και το νετρόνιο πρέπει να παραμείνουν πολύ κοντά. Χρειάσθηκε να περάσουν αρκετά χρόνια για να αναπτυχθεί ικανοποιητικά η σχετική θεωρία.

Η θεωρία των quarks δέχεται ότι το νετρόνιο αποτελείται από τρία σωματίδια κουάρκς: 1 up και 2 down με συνολικά φορτίο μηδέν. Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι δύο σύγχρονες εικόνες που έχουμε για την αποσύνθεση του νετρονίου, μέσω των ασθενών αλληλεπιδράσεων.

Πρώτα ένα down κουάρκ μετατρέπεται σε up. Το σωμάτιο W που ελευθερώνεται (σαν φορέας ασθενών αλληλεπιδράσεων) μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα νετρίνο και να προκύψει ένα βήτα σωματίδιο (αριστερή εικόνα) ή να διασπαστεί σε ένα αντινετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο ή βήτα σωματίδιο (δεξιά εικόνα).