Нейтрино - призрачная частица атома
Шрифт:
Обнаружить -частицы можно при помощи пленки химического соединения, называемого сернистым цинком. Каждый раз, когда -частица налетает на такую пленку, она вызывает слабую вспышку света. Если рядом с источником -частиц (скажем, кусочком тория-232 в свинцовом контейнере с очень узким отверстием) поместить сцинтилляционный счетчик,то число вспышек будет соответствовать количеству образующихся -частиц. Если сцинтилляционный счетчик располагать все дальше и дальше от источника, -частицы должны будут проходить через все больший и больший слой воздуха, чтобы попасть в него. Если бы -частицы испускались с различными энергиями, то обладающие наименьшей энергией исчезли бы очень быстро, более «энергичные» -частицы прошли бы больший путь в воздухе и т. д. В результате по мере удаления сцинтилляционного счетчика от источника число -частиц, попадающих
Именно это явление наблюдал английский физик Уильям Генри Брэгг в 1904 году. Почти все -частицы, вылетающие из ядер одного и того же элемента, имели одну и ту же энергию и обладали одинаковой проникающей способностью. Все -частицы тория-232 проходили слой воздуха толщиной 2,8 см,все -частицы радия-226— 3,3 см,а -частицы полония-212 — 8,6 см [15]. На самом деле имеются некоторые отклонения. В 1929 году было обнаружено, что небольшая часть частиц одного и того же радиоактивного ядра может обладать необычайно большой кинетической энергией и большей проникающей способностью, чем остальные. Причина этого в том, что исходное радиоактивное ядро может находиться в одном из возбужденных состояний.В возбужденных состояниях ядра имеют большую энергию, чем в своем нормальном основном состоянии.Когда ядро испускает -частицу, находясь в возбужденном состоянии, -частица получает дополнительную энергию. В результате помимо основной группы -частиц образуются маленькие группы -частиц с большей проникающей способностью, по одной группе для каждого возбужденного состояния.
Когда радиоактивное ядро образуется при распаде другого ядра, оно иногда находится в возбужденном состоянии с момента своего образования. Тогда большая часть испускаемых им -частиц имеет необыкновенно большую энергию, а -частицы с меньшей энергией образуют небольшие группы. Эти отдельные группы -частиц (от 2 до 13) с различными энергиями образуют спектр– частиц данного ядра. Каждая компонента спектра соответствует, как и предполагали, одному из возбужденных состояний ядра. Итак, закон сохранения энергии -частиц выполняется, чего нельзя сказать в случае -частиц.
Энергия -частицы
Если все выводы, сделанные для -частиц, были бы применимы к -частицам и выполнялись бы рассмотренные энергетические соотношения, все образующиеся при распаде ядер -частицы обладали бы одной и той же кинетической энергией. Однако еще в 1900 году создалось впечатление, что -частицы испускаются с любой энергией вплоть до некоторого максимального значения. В течение последующих пятнадцати лет доказательства постепенно накапливались, пока не стало совершенно ясно, что энергии -частиц образуют непрерывный спектр.
Каждое ядро, испуская в процессе распада -частицу, теряет определенное количество массы. Уменьшение массы должно соответствовать величине кинетической энергии -частицы. При этом кинетическая энергия -частицы любого из известных нам радиоактивных ядер не превышает энергии, эквивалентной уменьшению массы. Таким образом, уменьшение массы при любом радиоактивном распаде соответствует максимальному значению кинетической энергии -частиц, образующихся в процессе этого распада.
Но, согласно закону сохранения энергии, ни одна из -частиц не должна обладать кинетической энергией меньше энергии, эквивалентной уменьшению массы, т. е. максимальная кинетическая энергия -частицы должна быть одновременно и минимальной. В действительности это не так. Очень часто -частицы испускаются с меньшей кинетической энергией, чем следует ожидать, причем максимального значения, соответствующего закону
сохранения энергии, вряд ли достигает хоть одна -частица. Одни -частицы обладают кинетической энергией, несколько меньшей максимального значения, другие — значительно меньшей, остальные — намного меньшей. Наиболее распространенная величина кинетической энергии равна одной трети максимального значения. В общем, более половины энергии, которая должна возникать вследствие уменьшения массы при радиоактивных распадах, сопровождающихся образованием -частиц, нельзя обнаружить.
В двадцатых годах многие физики были склонны уже отказаться от закона сохранения энергии, по крайней мере для тех процессов, в которых образуются -частицы. Перспектива была тревожной, так как закон оставался справедлив во всех других случаях. Но существует ли другое объяснение этого явления?
В 1931 году Вольфганг Паули предложил следующую гипотезу: -частица не получает всю энергию из-за того, что образуется вторая частица, которая уносит остаток энергии. Энергия может распределиться между двумя частицами в любых пропорциях. В некоторых случаях почти вся энергия передается электрону, и тогда он имеет почти максимальную кинетическую энергию, эквивалентную уменьшению массы.
Иногда почти вся энергия передается второй частице, тогда энергия электрона фактически равна нулю. Когда энергия распределяется между двумя частицами более равномерно, электрон имеет промежуточные значения кинетической энергии.
Какая же частица удовлетворяет предположению Паули? Вспомним, что -частицы возникают всякий раз, когда внутри ядра нейтрон превращается в протон. При рассмотрении превращения нейтрона в протон, несомненно, проще иметь дело со свободным нейтроном. Нейтрон не был открыт, когда Паули впервые предложил свою теорию. Мы же можем воспользоваться преимуществом ретроспективного взгляда.
При распаде свободного нейтрона на протон и электрон, последний вылетает с любой кинетической энергией вплоть до максимальной, которая приблизительно равна 0,78 Мэв. Ситуация аналогична испусканию радиоактивным ядром -частицы, поэтому при рассмотрении распада свободного нейтрона необходимо учесть частицу Паули.
Обозначим частицу Паули хи попробуем выяснить ее свойства. Запишем реакцию распада нейтрона:
п– > р ++ е – + х.
Если при распаде нейтрона выполняется закон сохранения электрического заряда, х– частица должна быть нейтральной. Действительно, 0=1–1+0. При распаде нейтрона на протон и электрон потеря массы составляет 0,00029 единиц по атомной шкале масс, что приблизительно равно половине массы электрона. Если бы x– частица получила даже всю энергию, образующуюся в результате исчезновения массы, и если бы вся энергия пошла на образование массы, масса хсоставляла бы только половину массы электрона. Следовательно, x– частица должна быть легче электрона. На самом деле она должна быть значительно легче, так как обычно электрон получает большую часть выделяющейся энергии, а иногда почти всю. Более того, вряд ли энергия, переданная х– частице, полностью превращается в массу; значительная часть ее переходит в кинетическую энергию х– частицы. С годами оценка массы х– частиц становилась все меньше и меньше. Наконец, стало ясно, что х– частица, как и фотон, не имеет массы, т. е. подобно фотону она распространяется со скоростью света с момента своего возникновения. Если энергия фотона зависит от длины волны, энергия х– частицы зависит от чего-то аналогичного.
Следовательно, частица Паули не имеет ни массы, ни заряда, и становится понятным, почему она остается «невидимкой». Заряженные частицы обычно обнаруживают благодаря ионам, которые они образуют. Незаряженный нейтрон был обнаружен из-за большой массы. Частица без массы и без заряда ставит физика в тупик и лишает его какой бы то ни было возможности поймать и изучить ее.
Вскоре после того, как Паули предположил существование х– частицы, она получила имя. Сначала её хотели назвать «нейтроном», так как она не заряжена, но через год после появления гипотезы Паули Чедвик открыл тяжелую незаряженную частицу, которая получила это имя. Итальянский физик Энрико Ферми, имея в виду, что х– частица намного легче нейтрона Чедвика, предложил назвать х-частицу нейтрино,что по-русски значит «нечто маленькое, нейтральное». Предложение было очень удачным, и с тех пор она так и называется. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой «ню» )и распад нейтрона записывают следующим образом: