Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 119
Текст из файла (страница 119)
11. Для упрощения теории 11-распада Ферми построил ее в предположении, что масса нейтрино равна нулю. Но это предположение не является обязательным требованием теории и не может считаться доказанным. Нет принципа, заставляющего полагать массу нейтрино равной нулю, тогда как в случае фотона такой принцип существует.
[Гл.!Х Радиоактивность 478 Вопрос о массе нейтрино постоянно обсуждался с момента появления гипотезы Паули, Верхний предел для массы электронного нейтрино (и антинейтрино) был получен из анализа формы электронного спектра ьь-распада трития. Оказалось, что верхний предел для массы электронного нейтрино т,, < 35 эВ, что примерно в 15000 раз меньпье массы электрона. В 1980 г. Е.Ф. Третьяков, В.А. Любимов и другие сотрудники Института экспериментальной и теоретической физики опубликовали резултаты своих многолегних измерений массы электронного нейтрино. Согласно этим измерениям масса электронного нейтрино хотя и очень мала по сравнению с массой электрона, но все же отлична от нуля.
(Было найдено, что 14 < т,. < 46 эВ.) Этот результат не всеми признается как окончательный. Вопрос о массе электронного нейтрино остается открытым. Оценка верхнего предела массы ыи была получена в результате исследования распадов х-мезонов. Оказалось, т, < 0,57 МэВ. Оценка верхнего предела массы и производилась из рассмотрения распада т — г е + у, + ы . Оказалось, т, < 250 МэВ.
Нейтрино играло первостепенную фундаментальную роль в происхождении Вселенной и продолжает играть эту роль и сейчас в ее развитии, чего, разумеется, не мог предполагать Паули и даже Ферми при создании теории Р-распада. Если масса нейтрино отлична от нуля, то многие теоретические представления о процессах с участием нейтрино должны быть пересмотрены. Роль нейтрино во Вселенной окажется более значительной, чем в случае безмассовых нейтрино. Если бы масса нейтрино была равна нулю, то эта частица не могла бы находиться в состоянии покоя. Она всегда двигалась бы со скоростью света с относительно любой системы отсчета.
Проекция вектора спина этой частицы на направление движения может быть равна либо +1Ь2, либо — 1ь2. В первом случае условились говорить, что частица имеет правую, или положительяую спиральность Л = +1, во втором— левую, или отрицатпельную, спиральность Л = — 1. Понятие спираль- ности, конечно, имеет определенный смысл только для безмассовых частиц. 'Голько в этом случае частица имеет определенную спираль- ность независимо от системы отсчета. Если же масса частицы отлична от нуля, то понятие определенной спиральности лишено смысла: одна н та же частица имела бы то правую, то левую спиральность, в зависимости от того, в какой системе отсчета рассматривается ее движение.
Прямым опытом установлено, что ьь, имеет спин, направленный по импульсу. Поэтому если т = О, то нейтрино будет обладать левой, а антинейтрино правой спиральностью. 12. Введенное Ферми слабое взаимодействие оказалось более универсальным, чем предполагалось в первоначальной теория 13-распада. Оказалось, что слабые взаимодействия с участием нейтрино всех видов проявляются не только при Д-распаде, но и во многих других процессах, связанных с превршцением элементарных частиц. Не входя в существо вопроса, ограничимся замечанием, что представилось возможным установить единую природу слабых и олектромагььитных сил и создать теорию единого электрослабого вгаасмодействил. Согласно этой теории з 74) 479 Бета-распад слабые взаимодействия возникают в результате обмена виртуальными тяжелыми частицами со спинам, равным 1: промежуточными заряженными И'4-бозонами и нейтральным промежуточным бозоном е,а, а электромагнитные взаимодействия — - в результате обмена виртуальными фотонами — безмассовыми частицами также со спинам, равным 1.
Например, распад и — > р + е + ра происходит следующим образом: нейтрон превращается в протон и на короткое время испускает промежуточный Ч' -бозон, который распадается затем на электрон и антинейтрино Р,. Теория предсказала и массы Ч'~- и Ха-базенов. Бозоны И''~ и е а были открыты в 1983 г. Их массы оказались близкими к предсказанным теорией: Мнеь 80 ГэВ, Мяо 90 ГэВ.
Основные представления и главные результаты теории,З-распада Ферми сохранили свое значение и в современных теориях (при энергиях, значительно меньших Мч~). 13. В заключение этого параграфа остановимся на вопросе об экспериментальном доказательстве существования нейтрино. В дальнейшем имеются в виду только электронные нейтрино и антинейтрино. Соответствующие опыты очень трудно осуществить из-за слабости взаимодействия нейтрино с веществом (см. п.9). Поэтому вначале опыты по обнаружению нейтрино носили косвенный характер.
Первый опыт такого рода был поставлен в 1936 г. А. И. Лейпунским (1903 — 1972), который исследовал реакцию Д-распада 11С вЂ” > '1 В+ е+. Не останавливаясь на деталях опыта, ограничимся изложением лишь его идеи. Если бы нс было нейтрино, то импульсы позитрона е~ и ядра отдачи ~э~В были бы равны по модулю, но противоположны по знаку. Поскольку обе частицы заряжены, их импульсы можно измерить и таким образом сравнить энергетические спектры ядра ~э~В и позитрона.
С другой стороны, можно было бы и непосредственно измерить распределение по энергии ядер отдачи 11В. Это распределение оказалось не соответствующим безнейтринной схеме расчета, хотя количественные результаты получить и не удалось. Более совершенная, но все же косвенная идея опыта принадлежала А.И. Алиханову (1904 — 1970) и А.И. Алиханьяну (1908 — 1978), предложившим использовать процесс К-захвата электрона ядром аВе, при котором возникает ядро ",Ы. Спин ядра с нечетным А полуцелый. При К-захвате А не меняется, а потому не должна меняться и четность спина ядра.
С другой стороны, электрон имеет спин 1/2. Поэтому спин ядра после поглощения электрона должен меняться на 1/2, т.е. стать четным. Противоречие устраняется, если предположить, что и при К- захвате образуется нейтрино, которое и уносит нечетный спин. Преимущество схемы опыта, предложенного Алихановым и Алиханьяном, состоит в том, что при К-захвате образуются только две частицы: ядро отдачи з~!1 и нейтрино, а потому распределение кинетической энергии между ними определяется однозначно.
Полная кинетическая энергия, выделяющаяся при К-захвате ядер аВе, равна 7 3 = )МатДВе) — М (з1 )]с~ = 0,864 МэВ. (74.9) [Гл.!Х Радиоактивность 480 В силу закона сохранения импульса Р„д + р„= О, где Р„д — импульс ядра отдачи, а р„— импульс нейтрино. Ядро отдачи получает кинети- ческую энергию г г г Р д р, с р, Яд 2М 2М 2М г (74.10) Но нейтрино релятивистская частица, так что ее кинетическая энергия й = ср,. Она уносит подавляющую часть энергии, а потому в предыдущем соотношении с большой точностью можно принять ср„= б, = 1.
Таким образом, на долю ядра отдачи 7Ы приходится кинетическая энергия бг 2М с (74.11) Кинетическую энергию ядра отдачи э~15 можно измерить непосредственно и сравнить ее с выражением (74.11). К этому и сводится идея опьпа, При этом, как показывает формула (74.11), выгодно использовать легкие ядра. Вот почему в качестве исходного ядра Алиханов и Алиханьян предложили взять наиболее легкое ядро 4Ве, в котором 7 наблюдается К-захват. Из-за начавшейся войны самими Алихановым и Алиханьяном опыт поставлен не был. Он был осуществлен только в !942 г. Алленом (р. 1908) в США и привел к положительному результату, т, е, указывал на участие нейтрино в процессе К-захвата.
Однако и качественный опыт Лейпунского и количественный опыт Аллена еще не могут рассматриваться как экспериментальное доказательство существования нейтрино, поскольку в э гнх опытах еще не наблюдалось взаимодействие свободного нейтрино с веществом. Опыт Аллена доказывает только, что в реакции К-захвата гипотеза нейтрино согласуется с законами сохранения энергии и импульса. 14. Зарегистрировать действие свободных антинейтрино стало возможным только после появления мощных ядерных реакторов.
Осколки деления тяжелых ядер перегружены нейтронами, а потому они испытывают 13 -распад. Радиоактивные продукты )г -распада в свою очередь подвергаются Д -распаду, гюка этот процесс не закончится образованием стабильных ядер. В процессе же ~3 -распада испускаются антинейтрино. При каждом акте деления испускаются в среднем 5-6 антинейтрино. Поэтому ядерные реакторы являются мощными источниками антинейтрино. При мощности реактора около 100 МВт плотность потока антинейтрнно за толстой стеной., защищающей от нейтронов и у-квантов, но легко проницаемой для нейтрино, составляет примерно 10~э с ~ см Впервые опыт был осуществлен в США Рейнссом (р.
1918) и Коуэном (р. 1919) в 1953 г. и повторен ими в более совершенном виде в 1954 г. (краткое описание этого второго опыта и приводится ниже). Им удалось зарегисгрировать реакцию обратного р -распада р+р — > и+е+. (74. 12) з 74) Бета-распад 481 Эта реакция возможна, если энергия антинейтрино превышает 1,8 МэВ, так как именно на такую величину масса (и+ е+) больше массы протона р.
Схема установки Рейнеса и Коуэна представлена на рис. 135. Она состояла из трех больших (1,9 х 1,3 х 0,6 м) баков-детекторов Вы Рз и Рз, наполненных сцинтиллирующим водным раствором, объем которого «просматривался» 110 фотоумножителями. Между детекторами помещались мишени М~ и Мз — два слоя воды (толщиной 7 см каждый), содержащие растворимую соль кадмия Се1С1а, для поглощения нейтронов.
Каждый слой — мишень с двумя соседними баками-детекторами — образовывал независимую триаду. Для защиты от нейтронного и 7-излучения установка была заключена в свинцово-парафиновую оболочку и помещена глубо- )~ и ко под землей. Там она и облучалась потоком антинейтрино от усе ядерного реактора.
Позитрон, возникающий в реакции (74.12) через короткое время порядка 10 ~ с, аннигилировал с электроном с образованием двУх 7-квантов (энеРгии кото- оа рых равна энергии аннигиляции), которые регистрировались детек- М2 СдСВ торами В, и Рв, включенными в схему совпадений. Нейтрон, Вз возникающий в той же реакции (74.12), замедляется в результате последовательных столкновении с протонами, диффундирует Рис. 135 и в конце концов за время порядка 10 ь с поглощается кадмием. При этом испускаются несколько 7-квантов (с суммарной энергией до 10 МэВ), которые также регистрируются детекторами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
