Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Эту трудность экспериментаторы преодолели, изготовив два совершенно одинаковых свинцовых калориметра, в один из которых помещался радиоактивный излучатель, а другой оставался пустым. По разности температур калориметров можно было с достаточной точностью измерить искомую величину. Оказалось, что полная энергия, приходящаяся в среднем на один акт ф-распада, составляет 0,35 МэВ. С другой стороны, максимальная энергия 13-частиц (верхняя граница Р-спектра) для ззшВ1 составляет 1,05 МэВ, т. е.
в три раза больше среднего значения, найденного квлориметрическн. Зная же полный 11-спектр рассматриваемого излучателя, можно было вычисвить среднюю энергию, уносимую одним электроном при Д-распаде. Она оказалась равной 0,39 МэВ. Это значение в пределах погрешностей измерений хорошо согласуется с величиной, найденной калориметрически. Отсюда следует,что никакой дополнительной энергии, о которой говорилось выше в обоих предположениях, при 11-распаде не выделяется.
Оба предположения должны быть отвергнуты. 8. Не останавливаясь более на истории вопроса, приведем сразу решение его, предложенное Г1аули в 1030 г. Паули выдвинул гипотезу, позднее доказанную экспериментально, согласно которой при В-распаде наряду с электроном вылетает еще какая-то неизвестная нейтральная частица, не регистрируемая в калориметре. Благодаря этому закон сохранения энергии соблюдается и при,З-распаде. В редких случаях вся освобождающаяся энергия уносится электроном. Такая энергия соответствует верхней границе электронного 11-спектра. Подтверждением этого можег служить опытный факт, что указанная граница совпадает с разностью энергий материнского и дочернего ядер.
В других редких случаях вся энергия уносится гипотетической частицей. Но чаще всего энергия уносится и этой частицей, н электроном. Распределение энергии между ними носит случайный характер, чем и объясняется форма Д-спектра. Чтобы согласовать свою гипотезу с результатами опытов Эллиса и Вустера, Паули предположил, что гипотетическая частица очень слабо взаимодействует с веществом.
Она не ионизует атомы среды, с которыми сталкивается, и поэтому свободно проходит через свинцовую оболочку и не улавливается последней, как это и было в опытах Эллиса и Вустера. Это заставило предположить, что частица Паули не обладает электрическим зарядом, так как заряженная частица с энергией порядка миллиона электронвольт не могла бы пройти через толстый слой свинца. Гипотеза Г!аули появилась еще до открытия нейтрона. Ферми назвал эту незаряженную гипотетическую частицу нейтрино (что в переводе с итальянского означает уменьшительное «нейтрончикь). Масса нейтрино, если таковая имеется у этой частицы, должна быть во всяком случае меныпе массы электрона. Это видно уже из того, что при Д-распаде, когда должен соблюдаться и закон сохранения импульса, электроны уносят меньше половины освобождающейся энергии.
Нейтрино не может быть нейтроном, так как в противном 5 74) Бета-распад 475 (74.4) (74.5) и — «р+е +р,, р — «и+е +ге. случае при испускании нейтрино заметно изменя,пась бы масса ядра, а это при «8-распаде не наблюдается. Кроме того, если бы нейтрино н нейтрон были одной и той же частицей, то она обнаружилась бы при столкновении с другими атомными ядрами. Поскольку нейтрино не ионизует атомы, магнитный момент этой частицы также должен равняться нулю (или, во всяком случае, быть весьма малым). Спин нейтрино должен быть полуцелым. Действительно, характер спина ядра (целый или полуцелый) целиком определяется значением массового числа А (см.
3 68). При Б-распаде А не меняется, а потому не должен меняться и характер спина ядра. Но вылетающий электрон (позитрон) уносит спин, равный 1/2. Поэтому спин другой частицы — нейтрино, —. во всяком случае, должен быть полуцелым.
Теоретические расчеты энергетического спектра электронов (позитронов), рождающихся при 1«-распаде, выполненные при разных предположениях относительно спина нейтрино, показали, что спин этой частицы равен 1««2. 9. На основе гипотезы 11аули в 1933 г. Ферми построил количественную теорию )д-распада. Подробное изложение ее далеко выходит за рамки этой книги; ограничимся общими замечаниями.
Основная идея Ферми состоит в том, что Д-частицы и нейтрино не существуют в атомных ядрах, а рождаются в них в процессе,З-распада, подобно тому как фотон не является составной частью атома, а появляется в процессе лучеиспускання. Ферми потребовалось ввести гипотезу о существовании особого типа короткодействующих сил, которые и вызывают в ядре процессы превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон с испусканием Д-частиц и нейтрино в обоих случаях.
Соответствующие силы называются слабыми силами, а взаимодействия, осуществляемые под их действием, слабыми взаимодействиями. Чтобы составить представление о величине слабых взаимодействий, укажем, что теоретические соображения и последующие опытные измерения показали, что средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде равна примерно 10а«см (100 световых лет). Это намного превышает линейные размеры звезд, т.е. длины порядка 10ш см. Такие нейтрино свободно пронизывают Солнце, а тем более земной шар.
С уменьшением энергии нейтрино их проникающая способность становится еще меньше. Радиус действия слабых взаимодействий не превышает 10 ' см. 10. Для полноты заметим, что постулированная Паули частица, появляющаяся при «3 -распаде вместе с электроном, позднее стала называться электронным антинебтриио (рь), а частица, появляющаяся при,З+-распаде вместе с позитроном, — электронным ней«прина (и,). Конечно, деление на частицы и античастицы условно. Что называть частицей и что античастицей -- это вопрос соглашения, но условиться об этт«м необходимо.
В соответствии с принятым соглашением процессы,э' - и ф4-распадов пишутся в виде [Гл.!Х Радиоактивносгпь 476 Де,по в том, что в дальнейшем были открыты другие типы нейтрино и антинейтринш мюонные нейтрино (ьи) н антинейтрино (р„), таонныс псйтрипо (от) и антинейтрино (ив). Эти частицы появляются в процессах взаимодействия совместно с другими частицами: мюонами и те-лептонами (масса т-лепгона т,а = 1,78 ГэВ, среднее время жизни гюрядка 3. 10 'з с). Лептонами называют класс элементарных частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях, т.е. участвующих в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино и антинейтрино сверх того нс участвуют и в электромагнитном взаимодействии (если масса нейтрино отлична от нуля, то не исключено наличие у нейтрино магнитного момента, не превышающего 10 дв).
Все лептоны имеют — 1о спин 1Г2, т.е. являются фермионами. К лептонам относятся электрон, мюон, тяжелый лептон (т), электронное, мюонное и т-нейтрино и соответсгвующие им античастицы. Мюонные нейтрино и антинейтрино появляются при распаде заряженных пионов одновременно с мюонами. Пионамя (старое название и-мезени) называют семейство из трех нестабильных элементарных часгиц — двух заряженных (х~ и зг ) и одной незаряженной (яо).
Времена жизни обеих заряженных частиц равны 2,б . 10 з с, масса т ь = 273т„а для нейтрального пиона соответственно 0,83 10 ш с, т о = 264т,. Пионы относя гся к классу мезонов, который в свою очередь относится к обширной группе адронов, т.е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Пионы — наиболее легкие адроны. Интересующие нас процессы распада заряженных пионов записываются следующим образом: (74.б) х — эр +не.
(74.7) Что электронные и мюонные нейтрино (а также их античастицы) не тождественны это доказано экспериментально. Поэтому заменять о, и г ь соответственно на и„и ию и обратно нельзя. Так, например, процессы р -~ и + е" + ое, и-~~р+е +пи, 7г~д +реп'~д +не получагощиеся из (74.4) — (74.7) путем такой замены, не идут, что доказано и экспериментально.
Поэтому они и снабжены перечеркнутой стрелкой. Доказано также, что о, и ьи не тождественны со своими античастицами р, и р . Существование о и р прямыми экспериментами пока не доказано, но подтверждается теоретическими соображениями и косвенными экспериментальными данными. Каждый лептон характеризуется определенным квантовым числом, называемым лепгпонн.
ьн зарядом или лептонным числом. Следует различать эле тронный (для е, е~, о„р,), мюонный (для д, д ~, ии, ои) и таонный (для т, т ', и,., рг) лептонные зарлды, обозначаемые соответственно через 7„Ь„, 7,. Это существенно различные э 74) 477 Бета-распад величины, хотя им условно и приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных частиц (е д, т ) считать лептонные заряды равными +1.
Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из эксперименчвльно установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов каждого типа остается постоянной. Для этого надо этому факту придать форму закона сохранен я лептпонного заряда. При этом лептонные заряды всех других частиц, за исключением лептонов, принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства, связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все положительно заряженные лептоны (ее, д', тт) имели лептонный заряд — 1.
Это видно из того, что возможны реакции е +ет-э27, д +дт — >27, т +т' — >27. Только тогда суммарный лептонный заряд в левой части будет равен нулю, а это необходимо, так как 7-квант лептонного заряда не имеет. Из возможности процессов (74.5) н (74.7) следует, что лептонный заряд иь и пи равен +1, а из возможности реакций (74.4) и (74.6) — что лептонный заряд ма и р равен — 1. Аналогично, надо приписать и лептонный заряд +1, а и лептонный заряд — 1. Таким образом, лептонные заряды всех отрицательно заряженных лептонов и всех нейтрино равны +1, а положительно заряженных лептонов и всех антинейтрино — 1. Примером процессов, в которых соблюдается закон сохранения лептонных зарядов Ь, и Бю могут служить процессы д — е е + ма+ и„, дэ — > е" + и, + и„, которые действительно происходят.
Процесс (74.4) происходит в ядерных реакторах. При делении ядер освобождаются нейтроны, после распада которых возникают анти- нейтрино. Антинейтрино Р, образуется в ядерных реакторах также и в процессах распада 13 -активных продуктов реакции деления.
Таким образом, ядерный реактор является источником антннейтрино. В недрах Солнца происходят термоядерные реакции, конечным результатом которых является превращение водорода в гелий: 4р э хНе + 2е' + 2и,. (74.8) Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы из недр Солнца исходил поток уже нейтрипа, а не антннейтрино.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
