Нейтрино - призрачная частица атома

Азимов Айзек

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде -частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с -частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует

одна-единственная положительно заряженная частица — протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении -частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей -частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение -частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p ⁺, электрон е ^– и запишем уравнение излучения -частицы:

n -> р ⁺+ е ^– .

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, — сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой — пять недель, третий — двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10 ⁹лет, тория-232 гораздо больше — 1,4·10 ¹⁰лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает -частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает -частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что

период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает -частицы с периодом полураспада 1,3·10 ⁹лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Глава 6. Античастицы

Лептоны и барионы

Остановимся еще раз на известных нам субатомных частицах. Прежде всего к ним относятся ядра различных элементов. Их мы рассматривать не будем, так как ядра атомов всех элементов, за исключением водорода-1, состоят из еще более мелких частиц. Именно эти частицы, названные физиками элементарными [14], и будут нас интересовать.

Я уже упоминал четыре частицы, которые называют элементарными: протон, нейтрон, электрон и фотон. Их можно разделить на две группы. Протон, нейтрон и другие тяжелые элементарные частицы, открытые после 1932 года, объединены под общим названием барионы(от греческого слова barys — тяжелый). Электрон имеет маленькую массу, а масса фотона равна нулю. Эти и другие легкие частицы, открытые после 1932 года, называют лептонами (от греческого слова leptos — легкий, слабый).

Четыре элементарные частицы можно классифицировать по другому признаку. Протон, электрон и фотон — стабильны.Другими словами, если бы во Вселенной был один-единственный протон (или электрон, или фотон), он существовал бы без изменения бесконечно долго. (Говоря точнее, любая из трех перечисленных частиц может претерпеть изменение, но лишь при взаимодействии с другими частицами.) Нейтрон является нестабильной частицей. Если бы во Вселенной существовал один нейтрон, он рано или поздно, а вероятнее всего в течение нескольких минут, распался бы на протон и электрон. Такая нестабильность свойственна самой природе частицы и не зависит от наличия частиц других видов.

Почему же нейтрон в этом отношении не похож на другие частицы? Превращение нейтрона в протон и электрон сопровождается уменьшением массы. Очевидно, существенно именно это уменьшение массы. Оказывается, при любом спонтанном распаде происходит уменьшение массы. Потерянная масса превращается в энергию. Во Вселенной имеется, по-видимому, общая тенденция перехода от вещества к энергии. Становится понятным тогда, почему стабилен фотон. Он имеет нулевую массу покоя и поэтому не может распасться на частицы меньшей массы. По той же причине стабильна любая частица, не имеющая массы.

Подобные рассуждения, однако, неприменимы для объяснения стабильности электрона. Электрон имеет хоть и ничтожную, но все же конечную массу покоя. Но если тенденция превращения массы в энергию универсальна, почему она щадит электрон? Почему он не распадается на один или несколько фотонов с нулевой массой покоя, энергия которых эквивалентна массе электрона?

Оказывается, этому процессу препятствует закон сохранения электрического заряда. Фотон не несет электрического заряда, и если бы электрон распался на фотоны, что стало бы с его отрицательным зарядом? Насколько физикам известно, не существует частицы с отрицательным зарядом легче электрона. Поэтому электрон не распадается.

А протон? Является ли он самой легкой частицей с положительным зарядом? Ответ оказался отрицательными физикам пришлось искать другое объяснение его стабильности.

Позитроны

Первый намек на существование положительно заряженной частицы легче протона был сделан в 1930 году, когда Поль Дирак сумел математически описать некоторые свойства электрона. Он пришел к заключению, что если его математические расчеты верны, электрон должен существовать в двух разных формах. Одна из них — обычный, хорошо известный электрон, который к к тому времени исследовали уже в течение более тридцати лет. Другая форма была очень похожа на обычный электрон, но вместо отрицательного заряда он имел положительный.