اكتشاف النيوترون - Neutron

سنة اكتشاف النيوترون: 1932م

ما هو اكتشاف النيوترون؟

• جسيم دون ذري يقع داخل نواة الذرة بنفس كتلة البروتون ولكن دون شحنة كهربائية.

من هو مكتشف النيوترون؟

• جيمس تشادويك James Chadwick

أهمية اكتشاف النيوترون؟

هُتف بإكتشاف النيوترونات علامة بارزة من علامات العلم في القرن العشرين.

فأولاً، أكمل هذا الاكتشاف فهمنا لتركيب الذرات.

وثانياً، نظراً لكون النيوترونات عديمة الشحنة كهربائياً، فقد غدت الجسيمات الأكثر أهمية لإحداث تصادمات وتفاعلات نووية ولاستطلاع تركيب وتفاعل الذراتª. إستعملت النيوترونات من قبل إرنست لورنسªª Emest Lawrence بجامعة كاليفورنيا في بيرکلي لاكتشاف عدد من العناصر الجديدة، كما وكانت ضرورية لخلق الإنشطار النووي والقنبلة الذرية.

كيف جاء اكتشاف النيوترون؟

منذ إكتشاف وجود عالم دون ذري (عام 1901م)، لم يتم العثور سوى على الجسيمين المشحونين كهربائياً - البروتون والإلكترون. إفترض العلماء أن هذين الجسيمين قد كوّنا جميع الكتلة للذرات كلها.

لكن كانت هنالك مشكلة. فلو كانت الذرات مؤلفة من بروتونات وإلكترونات، فإن البرم spin لم يكن ليُجمع بشكل صحيح. فكرة أن لكل جسيم دون ذري «برماً»

اكتشفها جورج الينبيك George Uhlenbeck وصامويل غودسميت Samuel Goudsmit بألمانيا عام 1925م. فعلى سبيل المثال، تمتلك ذرة النيتروجين كتلة ذرية قدرها 14ª (لكل بروتون واحد كتلة تساوي 1) ولنواها شحنة موجبة تساوي +7 (لكل بروتون واحد شحنة مساوية لا +1)، فمن أجل موازنة هذه الشحنة الموجبة، تدور 7 الكترونات (لكل منها شحنة -1) حول النواة. لكل بطريقة ما، كان يجب أن تتواجد7 إلكترونات أخرى داخل النواة لإلغاء الشحنة الكهربائية الموجبة للبروتونات السبعة الأخرى. 

هكذا، يجب أن يقيم 21 جسيماً (14 بروتونا و7 إلكترونات) ضمن كل نواة نیتروجين، لكل منها برم يساوي إما +1/ 2 أو -1 / 2. نظرا لأن 21 هو رقم فردي من الجسيمات، فبغض النظر عن كيفية ارتباطها ببعض، سيتوجب على البرم النهائي لكل نواة نيتروجين أن يتضمن 1 / 2.

لكن البرم المقاس لنواة النيتروجين كان مساوياً لعدد صحيح کامل. لم يوجد نصف، إذن ! كان هنالك خطأ ما.

افترض إرنست رذرفورد وجوب تواجد بروتون- إلكترون وبأن لنواة النتروجين سبع بروتونات وسبع بروتون- إلكترونات (لأن 14 عدد زوجي للجسيمات وبالتالي يصح البرم النهائي). لكن هذه كانت مجرد نظرية، لم يكن لصاحبها فكرة عن كيفية تقصي البروتون-إلكترون طالما أن الطريقة الوحيدة المعروفة لتقصي جسيم ما كانت بتقصي شحنته الكهربائية.

فلنوجه دفة الحديث الآن إلى جيمس تشادويك James Chadwiak. من مواليد إنجلترا عام 1891م، كان تشادويك واحداً من كوكبة العلماء الذين تعلموا فيزياءهم الذرية في ظل العالم رذرفورد. بمنتصف عشرينيات القرن العشرين، أصبح تشادويك مهووساً بالبحث عن البروتون- إلكترون الغير المشحون لرذرفورد.

في عام 1928م، بدأ تشادويك بإستعمال البيريليوم في تجاربه-إذ أن للبيريليوم ذرة صغيرة بسيطة بكتلة تساوي 9. فقصف البيريليوم بجسيمات ألفا المنبعثة من البولونيوم (عنصر مشع، أملاً بأن بعض ذرت البيريليوم ستضرب بجسيمات ألفا وتنفلق إلى جسيمتي ألفا جديدتين (لكل منها كتلة 4).

فلو حصل ذلك، فإن جسيمتي ألفا هاتين كانتاً ستحملان جميع الشحنة الكهربائية النواة البريليوم الأصلية، ولكن ليس جميع كتلها. إذ كانت وحدة ذرية واحدة للكتلة (كتلة بروتون واحد) ستبقى من الكتلة الأصلية للبيريليوم المساوية لتسعة لكن هذا الجسيم الأخير الذي هو بحجم البروتون والناتج عن تحطيم نواة البيريليوم سيكون عديم الشحنة، ولهذا لا بد أن يكون البروتون- إلكترون (و المسمى neutron «نيوترون» الآن) الذي هم تشادويك باصطياده.

لو نجحت هذه التجربة، سيكون بمقدور تشادويك أن يصنع سيلاً من النيوترونات جنبا لجنب مع دقائق ألفا. على أية حال، استغرق تشادويك ثلاث سنوات للعثور على طريقة يتقصى بها وجود أية نيوترونات صنعها بهذه التجربة.

فأخيراً، ارتأى استعمال حقل كهربائي قوي للحرف بجسيمات الألفا المشحونة كهربائي. كانت الجسيمات الغير المشحونة فقط ستستمر بتدفقها المستقيم على طريق الهدف.

لفرحته، وجد تشادويك بأن «شيئاً ما كان لا يزال يدك في قطعة شمع البارافين التي وضعها في نهاية طريق الهدف، فضربه بقوة كافية لتسبب تفكيك جسيمات ألفا جديدة سائبة من الشمع. لا بد أن هذا" الشيء ما" قد نتج عن تصادم جسيمات ألفا مع ذرات البيريليوم، ولا بد أنه بحجم البروتون على الأقل (ليفكك جسيمات ألفا جديدة سائبة في تركيب البارافين)، ولا يمكن أن تكون له شحنة كهربائية طالما أنه لم ينحرف بفعل الحقل الكهربائي. بإختصار، لا بد أن يكون نيوتروناً. حقاً، اكتشف تشادويك النيوترون، وأثبت وجوده. لكن كان رذرفورد من سماه neutron "نيوترونا"، دلالة على شحنته الكهربائية المتعادلة.