yavor2 (553175), страница 91

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 91)

Это одно из обоснований современного представления о протонах и нейтронах как о различных квантовых состояниях одних и тех же частиц — нуклонов Ц 80.3). 2. Серьезная трудность в понимании механизма р-распада возникла при исследовании энергий электронов, испускаемых 8-радиоактивными источниками. Испускание Р-частиц есть результат перехода ядра из одного дискретного энергетического состояния в другое.

Атомные ядра имеют квантованные энергетические уровни. Об этом свидетельствуют дискретные энергии а-лучей и у-лучей. Казалось бы, что и спектр энергий р-частиц должен быть тоже дискретным, т. е. должен представлять собой набор определенных возможных значений энергий электронов.

Ничего подобного, однако, в 9раиииа действительности не оказа- ,У-еаеюп«а лось. Энергетические спектры электронов при 8-распаде всегда сплошные. д аг Ре 4а йг г гг гр На рис.81.8 приведен энер- Рис в1 в. гетический спектр электронов, испускаемых естественно-радиоактивным калием „К". По оси абс цисс отложена энергия ))-частиц, по оси ординат — число р-частиц, имеющих данную энергию. Из кривой видно, что энергетический спектр ))-электронов является сплошным. Одинаковые ядра испускают электроны со всевозможными энергиями от нуля до некоторой верхней гранины. Наличие верхней границы очень существенно.

График стремится к пулю не асимптотичсски, а резко пересекает ось абсцисс при предельных значениях энергии б«„„„,, Верхняя граница является характеристикой источника р-луч«ей. Для данного источника невозможны энергии электронов, превышающие 4'вмакс.

Исследование максимальных энергий ))-частиц различных источников показало, что во всех случаях максимальная энергия р-настин равна разности энергетических уровней ядер, испускакчиик ~)-частицы. ввт Это лишь усугубило трудность объяснения непрерывного спектра энергий электронов при ))-распаде. В самом деле, из изложенного в предыдущих параграфах вытекает, что атомные ядра могут находиться лишь в определенных энергетических состояниях. В таком случае, почему же 1)-активные ядра, которые до и после р-распада имеют вполне определенные энергии, могут выбрасывать электроны со всевозможными энергиями? Можно подумать, что все электроны вылетают из ядра с одинаковыми энергиями, равными разности энергетических уровней ядра, но до выхода из радиоактивного образца частично и по-разному теряют энергию, сталкиваясь с атомами образца. Если это предположение верно, то )з-активный пре.

парат должен сам себя разогревать. Однако самые тщательные калориметрические измерения не обнаружили ожидаемого разогрева. Энергия куда-то бесследно исчезала. Над физикой нависла угроза допущения о нарушении закона сохранения энергии. Некоторые физики, и среди них Бор, пытались даже обосновать теоретически возможность нарушения закона сохранения энергии в отдельных элементарных процессах, происходящих в микромире, в том числе и во внутриядерных явлениях.

Согласно этим идеям Бора справедливость закона сохранения энергии должна проявляться в микромире лишь статистически для большого числа элементарных процессов. Однако все достижения квантовой теории в области атомной и ядерной физики не противоречили ни одному закону сохранения. В частности, для элементарных процессов закон сохранения энергии подтверждался всякий раз с поразительной точностью. В те напряженные для физики годы сгановления квантовой механики и ядерной физики ситуация с теорией 8-распада оказалась достаточно трудной. 3. Трудность с энергией р-частиц усугублялась еще трудностью со спином ядра. Как мы видели Я 80.2), характер спина ядра— целочисленный он или половинный (в единицах Й) — определяется массовым числом ядра.

У ядер с четным массовым числом спин целочисленный, с нечетным — половинный. При 1)-распаде массовое число не изменяется. С другой стороны, опыт говорит о том, что при 8-распаде и характер спина не изменяется. Спин дочернего ядра остается целочисленным при распаде ядра с целым спинам и половинным при половинном спине материнского ядра. Но испускаемый ядром электрон также обладает половинным спином. Следовательно, при р-распаде должен меняться характер спина ядра.

При целочисленном спине материнского ядра спин дочернего должен стать полуцелым и наоборот. Ничего подобного, как показали измерения спинов 1)-радиоактивных ядер и другие данные, не происходит. 4. Обе серьезные трудности в объяснении р-распада преодолел в 1931 г. Паули. Он предположил, что при каждом акте р-распада ядро испускает не одну, а две частицы. Кроме электрона испускается еще одна частица, электрически нейтральная, с ничтожно малой массой и со спином, равным Ь2, как и у электрона. 398 На основе этой гипотезы Ферми разработал основы современной теории ()-распада.

По его предложению введенную Паули новую частицу стали называть нейтрино, что означает «маленький нейтрон». Нейтрино принято теперь обозначать символом,ч~. Согласно современным данным частицей, испускаемой при электронном (1- распаде, является не электронное нейтрино,ч„а так называемое о -о электронное аятинейтрино, обозначаемое,ч, и обладающее, как и электронное нейтрино, спином Ь!2, нулевым зарядом, нулевой массой и магнитным моментом, не превышающим 10-' магнетона Бора (э 42.2). Гипотеза нейтрино сразу разрешила все трудности теории (3- распада. Недостающую энергию, разность между максимальной энергией электронов 4',„,„, и фактической, уносят электронные антииейтрнно. Полная энергия, теряемая ядром при испускании электрона, действительно равна ~,„,„, — верхней границе ))-спектра.

Но она может различным способом распределяться между электроном и антинейтрино в соответствии с кривой на рис. 81.8. В частности, нулевое значение энергии электрона означает, что вся энергия р-распада уносится антинейтрнно. В граничной точке кривой 81.8, где энергия электрона равна 6. „„„ вся энергия распада уносится электроном, а энергия антинеитрино равна нулю. Во всех промежуточных точках кривой 81.8 энергия распада распределяется между электроном и антинейтрино таким образом, что сумма энергий этих частиц все время равна б- „,„,.

Наличие у этих частиц спина, равного Ь!2, разрешало и затруднение со спином ядра. Поскольку вместе с электроном уносится и антипейтрино, обладающее, как и электрон, спинам В2, суммарный спин обеих частиц при взаимно противоположной ориентации их спинов может быть равен нулю. 5. Для подтверждения гипотезы о нейтрино (и антинейтрино) необходимо было доказать на опыте существование такой частицы. Здесь возникли большие трудности.

Электрическая нейтральность и ничтожная масса приводят к весьма слабому взаимодействию нейтрино с веществом. Например, ионизирующая способность нейтрино так мала, что один акт ионизации воздуха нейтрино приходится на 500 км пути. Колоссальная проникающая способность нейтрино позволила создать так называемую нейтринную астрономию. Толща земного шара для нейтрино не помеха, как и толща самого Солнца. Поэтому в астрофизике с помощью нейтрино, испущеиных ядрами, находящимися во внутренних областях Солнца, надеются получить информацию об этой, пока малодоступной для исследования, области Солнца.

Огромная проникающая способность нейтрино затрудняет удержание этих частиц в приборах. Для опытного обнаружения антинейтрино был использован закон сохранения импульса (как видим, этот закон широко используется в современной физике). Идея одного из опытов состояла в следующем ").

Если бы ядро при 1)-распаде испускало только один электрон, то оно испытывало бы отдачу в направлении, прямо противоположном вылету электрона, причем его импульс был бы численно равен импульсу электрона. Если же ядро кроме электрона испускает еще и антинейтрино, то по закону сохранения импульса векторная сумма трех импульсов — электрона, антинейтрино и ядра отдачи — должна оставаться равной нулю, 0 как и до распада (рнс. 81.9).

Ядро до .„,рдв распада считаем неподвижным. Таким образом, если антннейтрино действиазэр тельно испускаются, то отдача ядра будет происходить не в направлении прямой, по которой летит электрон, т.е. не строго противоположно электрону. Опыты полностью подтвердили кк зто. Рис. 8П9. 6. Для решения вопроса о возник- новении электронов при р-распаде следует еще раз напомнить, что при этом распаде согласно правилу смешения число нуклонов в ядре не изменяется и заряд ядра увеличивается на единицу. Единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превраи)ение в ядре нейтрона,п' в протон,р' с одновременным образованием электрона -о. ,е' и вылетом антинейтрино,ч,: (81.18) кп +1р + — 1е + оэе ° При этом превращении выполняются закон сохранения электрического заряда и, как видно из идеи рассмотренных выше опытов, закон сохранения импульса.

Сохраняется также баланс массовых чисел. Остается выяснить энергетическую возможность такого превращения. Оно должно сопровождаться выделением энергии, необходимой для образования электрона и аятинейтрино при самопроизвольном протекании естественной ))-радиоактивности. Масса покоя нейтрона больше суммы масс покоя протона и электрона, т. е. массы атома водорода, на 0,837.10 ' а.е.м.

Этой массе Лт по закону Эйнштейна соответствует энергия ЛЕ7 = Лт с' = 782 кэВ. Эта энергия, следовательно, может распределяться между вылетающими электроном н антннейтрино, Таким образом, реакция (81.18) энергетически возможна. 7. Изложенные соображения наводят на мысль о том, что реакция (81.18) может идти не только в ядре, где нейтроны связаны, но и со свободными нейтронами. Действительно, в 1959 г. эта реакция была обнаружена на свободных нейтронах.

На опыте было показано, что свободный нейтрон представляет собой р-радиоактивную частицу, Было найдено, что период полураспада свободных нейтро- л) См. также $ 83.7. нов равен 0,98 10' с. Электроны, испускаемые свободными нейтронами, оказались имеющими непрерывный энергетический спектр типа представленного на рис. 81.8, причем максимальная энергия электронов составила 782 кэВ, в соответствии с приведенным выше расчетом. Период полураспада 11-радиоактивных ядер отличается от периода полураспада свободных нейтронов.

Характеристики

Список файлов книги