Маса нейтрона, протона, електрона - що спільного?

Як тільки трапляється зустрітися з невідомим предметом, так обов`язково виникає меркантильно-життєве питання - а скільки це важить. А от якщо це невідоме - елементарна частинка, що тоді? А нічого, питання залишається тим самим: яка ж маса цієї частки. Якби хтось зайнявся підрахунком витрат, понесених людством для задоволення своєї цікавості на дослідження, точніше, вимірювання, маси елементарних частинок, то ми б дізналися, що, наприклад, маса нейтрона в кілограмах із неймовірною кількістю нулів після коми, обійшлося людству дорожче, ніж найдорожче будівництво з такою ж кількістю нулів до коми.

А починалося все дуже буденно: у керованій Дж. Дж.Томсон лабораторії в 1897 р проводилися дослідження катодних променів. В результаті була визначена універсальна константа для Всесвіту - величина відношення маси електрона до його заряду. До визначення маси електрона залишилося зовсім небагато - визначити його заряд. Через 12 років Роберт Міллікен зумів це зробити. Він проводив експерименти з падаючими в електричному полі крапельками масла, і йому вдалося не тільки врівноважити їх вага величиною поля, а й провести необхідні і надзвичайно тонкі вимірювання. Їх результат - чисельне значення маси електрона:

me = 9,10938215 (15) * 10-31кг.

До цього часу відносяться і дослідження структури атомного ядра, де першопрохідцем був Ернест Резерфорд. Саме він, спостерігаючи за розсіюванням заряджених частинок, запропонував модель атома із зовнішньою електронною оболонкою і позитивним ядром. Частинка, якої в планетарної моделі атома була запропонована роль ядра найпростішого атома, виходила при бомбардуванні азоту потоком альфа-променів. Це була перша ядерна реакція, отримана в лабораторії - в її результаті з азоту виходив кисень і ядра майбутніх атомів водню, названих протонами. Однак, альфа-промені складаються зі складних частинок: окрім двох протонів вони містять ще два нейтрона. Маса нейтрона майже дорівнює масі протона і загальна маса альфа-частинки виходить цілком солідної для того, щоб зруйнувати зустрічне ядро і відколоти від нього «шматочок», що і сталося.

Потік позитивних протонів відхилявся електричним полем, компенсуючи його відхилення, що викликається силою тяжіння. У цих експериментах визначити масу протона вже не становило жодних проблем. Але найцікавішим було питання про те, яке співвідношення мають маса протона і електрона. Загадка була тут же вирішена: маса протона перевищує масу електрона трохи більше, ніж 1836 разів.

Отже, спочатку, модель атома передбачалася, по Резерфорду, як електронно-протонний комплект з однаковим числом протонів і електронів. Проте зовсім скоро виявилося, що первинна ядерна модель не повністю описує всі спостережувані ефекти по взаємодій елементарних частинок. Тільки в 1932 році Джеймс Чедвік підтвердив гіпотезу про додаткові частинках у складі ядра. Їх назвали нейтронами, нейтральними протонами, тому вони не мали заряду. Саме ця обставина обумовлює їх більшу проникаючу здатність - вони не витрачають свою енергію на іонізацію зустрічних атомів. Маса нейтрона зовсім незначно перевищує масу протона - всього приблизно на 2,6 електронних маси більше.

Хімічні властивості речовин і сполук, які утворюються даним елементом, визначаються числом протонів в ядрі атома. З часом підтвердилося участь протона в сильних і інших фундаментальних взаємодіях: електромагнітному, гравітаційному і слабкому. При цьому, незважаючи на те, що заряд нейтрона відсутня, при сильних взаємодіях протон і нейтрон розглядають як елементарну частинку нуклон в різних квантових станах. Почасти схожість поведінки цих частинок пояснюється і тим, що маса нейтрона дуже мало відрізняється від маси протона. Стабільність протонів дозволяє використовувати їх, попередньо прискоривши до високих швидкостей, як бомбардують частинок для здійснення ядерних реакцій.