چگونگی کشف نوترون توسط چادویک

در سال 1920 راردرفورد اظهار داشت که پروتونِ درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره ی فرضی نام نوترون را پیشنهاد کرد. فیزیکدانها در جستجوی نوترون برآمدند، لیکن تحقیق آنها دست کم با دو مشکل مواجه بود:

1- آنان نمی توانستند ماده ای طبیعی بیابند که از خود نوترون گسیل یا تابش نماید (مثل مواد پرتوزا که ذرات آلفا یا همان پروتون ها را تابش می کند)

 2- روشهایی که برای آشکار سازی ذرات اتمی به کار برده می شد، همگی به آثار بار الکتریکیِ ذرات بستگی داشت و به طور مستقیم درباره ی ذرات خنثی بکار نمی آمد. از این رو تا سال 1932، تحقیق درباره ی یافتن نوترون ناموفق ماند.

اثبات وجود نوترونها، در سال 1932، در راس یک سری آزمایشهای فیزیکدانهای کشورهای مختلف قرار گرفت.

قبل از آن در سال 1930، گ. بث و نیز ه. بکر در آلمان دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شود، تابشهایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از همان پرتوهای گاما هستند، دست کم از این لحاظ که پرتوهای گاما بار الکتریکی ندارند. به ویژه بریلیم اثر مشخصی از این نوع داشت. مشاهدات فیزیکدان ها در آلمان، فرانسه و ... نشان می داد که تابش حاصل از بریلیم، نفوذی بیشتر (مثلا" در سرب) از هر گونه تابش گاما که تا آن زمان شناخته شده بود، دارد و انرژی آن در حدود 10 مگا ولت است. بنابراین تابش مذکور بسیار پر انرژیتر از پرتوهای گاما که قبلا" مشاهده شده بودند، بود و به همین دلیل مورد توجه واقع شد.

در میان انان که درباره ی این تابش به پژوهش پرداختند فیزیکدانان فرانسوی ژولیو و همسر او ایرن کوری _دختر کوری های دانشمند- بودند. آنان به بررسی این تابش مرموز در پارافین پرداختند. پارافین ماده ای است که پر از هیدروژن است. ژولیو و همسرش در جریان آزمایشهای خود دریافتند که تابش حاصل از بریلیم که گفتیم 10MEV انرژی دارد، پروتون هایی بیرون می اندازد که تنها 5MEV انرژی دارد. و این با قوانین پایستگی جرم و انرژی که تا آن زمان مشخص شده بود، تناقض داشت. و فیزیکدانها به دنبال فرضیه ی دیگری برای ماهیت این تابش ها پرداختند. چنانچه تابش ناشناخته گاما باشد، یعنی از فوتون (و نه ذره) های پر انرژی تشکیل شده باشد، باید همه ی انرژی خود را در اثر برخورد منتقل می کرد.

فیزیکدان انگلیسی، جیمز چادویک، نتایج پیچیده ی مشابهی ، در جریان انجام واکنش های هسته ای، برای پس زنیِ هسته های چند عنصر سبک از جمله هلیم، لیتیم، کربن ، نیتروزن و آرگون به دست اورد. در سال 1932، چادویک فرضیه ی موفقیت آمیزی درباره ی ماهیت تابش مذکور طرح کرد. چادویک در رساله ی کامل خود تحت عنوان "وجود نوترون" می گوید:

اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر، تابش کوانتومی یا همان پرتوهای گاما نیست، بلکه مرکب از ذراتی است که جرمشان بسیار نزدیک به جرم پروتون است، تمام اشکالات مربوط به برخورد (که قوانین پایستگی جرم و انرژی را نقض می کرد، از بین می رود. هم در مورد فرکانس آنها و هم درمورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار موثری ندارند. باید فرض کنیم که هر یک از ذرات این تابش مرموز، از ترکیب نزدیک به همی از یک پروتون و یک الکترون است و همان "نوترونی" است که راردرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داده بود.

درواقع این ذرات کلاسیک و بزرگ (ونه فوتون) هستند که در اثر برخورد کل انرژی خود را منتقل نمی کنند. و نوترون های دارای 10MEV در اثر برخورد با پروتون هایی که دارای جرم مساوی خود هستند، تنها 5MEVاز انرژی را منتقل می کنند و بقیه صرف جابجایی جرم ها می شود.

مانند دو توپ بیلیارد که وقتی این دو توپ که دارای جرم های کاملا" یکسان هستند، با هم رودررو برخورد می کنند، تمام انرژی انها به هم منتقل می شود، اما وقتی برخورد انها رو در رو نباشد ، انرژی جنبشی کمتری منتقل می شود و در مورد این پرتابها نیز دقیقا" همین اتفاق می افتد. بنابراین به طور متوسط، انرژی جنبش حدود 5 مگا ولت برای پروتون های پس زده شده که از برخورد با پروتون های دارای انرژی حدود 10 مگا ولت تولید می شود، مقدار درستی خواهد بود، درصورتی که جرم های پروتون و نوترون برابر باشد. چادویک با استفاده از قوانین پایستگی و محاسبات زیادی دریافت که جرم نوترون کمی از جرم پروتون بیشتر و برابر 1/6 AMU است. مشکلات اندازه گیری انرژی جنبشی هسته های پس زده موجب شد که این فقط مقدار تقریبی باشد. لیکن به اندازه کافی دقیق بود تا نشان دهد نوترون جرمی نزدیک به جرم پروتون دارد.