Нейтрон: структурная связь «на приросте масс. Нейтроны распадаются и с излучением фотонов Какое взаимодействие обеспечивает распад нейтрона
Редкие каналы распада
Данный канал распада реализуется с вероятностью 0,32 ± 0,16 % . Этот результат пока ожидает подтверждения другими группами исследователей. Спектр гамма-квантов должен лежать в диапазоне от 0 до 782 кэВ и зависеть от энергии (в первом приближении) как E −1 . С физической точки зрения, этот процесс представляет собой тормозное излучение образующегося электрона.
Должен существовать также канал распада свободного нейтрона в связанное состояние - атом водорода
Однако из экспериментов известно лишь, что вероятность такого распада меньше 3 % (парциальное время жизни по этому каналу превышает 3·10 4 с) . Теоретически ожидаемая вероятность распада в связанное состояние по отношению к полной вероятности распада равна 3,92·10 −6 . Связанный электрон для выполнения закона сохранения углового момента должен возникать в S -состоянии (с нулевым орбитальным моментом), в том числе с вероятностью ≈84 % - в основном состоянии, и 16 % - в одном из возбуждённых S -состояний атома водорода .
См. также
Примечания
Литература
- Б. Г. Ерозолимский (1975). «Бета-распад нейтрона ». Успехи физических наук 116 (1): 145–164.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Бета-распад нейтрона" в других словарях:
Диаграмма Фейнмана для бета распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии виртуального тяжёлого W бозона Бета распад нейтрона спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением β частицы (электрона) и… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Бета. Ядерная физика … Википедия
- (b распад). самопроизвольные (спонтанные) превращения нейтрона n в протон р и протона в нейтрон внутри ат. ядра (а также превращение в протон свободного нейтрона), сопровождающиеся испусканием эл на е или позитрона е+ и электронных антинейтрино… … Физическая энциклопедия
Самопроизвольные превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон внутри атомного ядра, а также превращение свободного нейтрона в протон, сопровождающееся испусканием электрона или позитрона и нейтрино или антинейтрино. двойной бета распад… … Термины атомной энергетики
Бета распад, радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе к рьхх ядра испускают электроны и антинейтрино (бета распад) либо позитроны и нейтрино (бета+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее назв. бета частиц. При… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны типы бета распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в… … Большой Энциклопедический словарь
Бета-распад - (β распад) радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе которых ядра испускают электроны и антинейтрино (β распад) либо позитроны и нейтрино (β+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее название бета частиц (β частиц) … Российская энциклопедия по охране труда
- β распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо… … Большая советская энциклопедия
- {{бета расп{}а{}д}} а; м. Физ. Радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино, либо позитрон и нейтрино. * * * бета распад (β распад), самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или… … Энциклопедический словарь
- (В распад), самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны типы Б. р.: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Книги
- О проблемах излучения и вещества в физике. Критический анализ существующих теорий: метафизичность квантовой механики и иллюзорность квантовой теории поля. Альтернатива - модель мерцающих частиц , Петров Ю.И.. Книга посвящена анализу проблем единства и противостояния понятий "волна" и"частица" . В поисках решения этих проблем тщательно анализировались математические основы фундаментальных…
Экспериментально обнаружен новый тип распада нейтрона — радиационный бета-распад. Это открытие стало возможным благодаря развитию детекторов частиц низкой энергии.
Жизнь большинства известных на сегодня элементарных частиц ярка и быстротечна. Родившись в реакции столкновения протонов или электронов вместе с разнообразными собратьями, они успевают пролететь микроскопическое расстояние и тут же распадаются на другие частицы. Конечные состояния их распада (как говорят физики, каналы распада ) могут быть самые разнообразные; главное — чтобы не нарушились фундаментальные законы физики (законы сохранения заряда, энергии и т. д.). У некоторых частиц таких каналов распада известно уже более ста.
Лишь небольшое число частиц живет достаточно долго, чтобы вступить, скажем так, в непосредственный контакт с окружающим миром. За время своей жизни они успевают пролететь существенную дистанцию: сантиметры, метры, и совсем уж в редких случаях — километры, но и они, по человеческим меркам, распадаются очень быстро — за какие-то доли секунды.
И вот, после более чем полувековой истории изучения этой частицы, физики, похоже, смогли обнаружить второй тип распада нейтрона . В препринте российско-бельгийско-немецкой группы исследователей nucl-ex/0512001 сообщается об успешном наблюдении радиационного бета-распада нейтрона, т. е. его распада на протон, электрон, антинейтрино и фотон . Зарегистрировать такой распад удалось с помощью техники тройного совпадения: одновременного вылета электрона и фотона и измерения импульса отдачи, получаемого протоном.
Вообще говоря, для теоретиков это открытие не является сюрпризом. Известно, что во всех типах реакций с заряженными частицами (а протон и электрон электрически заряжены) могут вылетать и фотоны, «в нагрузку» к остальным частицам. Однако наблюдение этого распада в случае нейтрона оказалась очень сложной с технической точки зрения задачей. Ведь все вылетающие частицы имеют очень небольшие энергии, и поэтому их трудно «уловить» детекторами.
Предыдущая попытка той же самой группы в 2002 году найти этот распад окончилась неудачей: точности регистрирующей аппаратуры не хватало для его обнаружения. Сейчас же, после апгрейда детекторов и улучшения процедуры обработки данных, исследователи наконец-то обнаружили, что в среднем в одном из трехсот случаев свободные нейтроны предпочитают распадаться с испусканием фотона.
Точность проведенного эксперимента пока невелика, и может статься (хотя вероятность этого мала), что весь обнаруженный «сигнал» — это лишь результат случайного наложения фоновых процессов. Однако авторы замечают, что возможно дальнейшее усовершенствование методики, которое позволит достичь 10-процентной точности измерения вероятности этого распада.
Период
полураспада свободного нейтрона. Впервые экспериментально обнаружили Б--р. н.
и получили оценки периода его полураспада
почти одновременно (1948-50) и независимо друг от друга А. Снелл (A. H. Snell)
(Ок-Ридш, США), Г. Робсон (J. Robson) (Чох-Ривер, Канада) и П. E. Спивак (ИАЭ).
Всего выполнено >15 измерений Т 1/2
нейтрона. Наиб. точные
данные получены в работе К.Кристенсена (С. Christensen) с сотрудниками (1970)
(=10,61b0,16
мин), групп Спивака (1978, T 1/2 =10,18b0,10 мин) и Г. Бирна
(1980, Г 1/2 =10,82b0,21 мин).
Для определения Т
1/2
нейтрона производились 2 независимых абс. измерения: определялось число актов
распада нейтронов в заданной области коллимированного пучка тепловых нейтронов
и измерялось число нейтронов, находящихся в этой области. При этом регистрировались
либо электроны (Кристенсен), либо протоны распада (Спивак, Бирн), диапазон энергий
к-рых 0-800 эВ. В работе Спивака они регистрировались спец. низкофоновым пропорциональным
счётчиком
, на входное окошко к-рого протоны попадали, пройдя через
ограничит. диафрагмы и ускорившись до
энергии 25 кэВ в сферич. фокусирующем поле (рис. 1). Число нейтронов в области
распада определялось по абс. активности Au, облучённого в том же месте нейтронного
пучка.
Энергетич. спектр электронов был измерен
в работах Робсона и Кристенсена (1972). За исключением
Рис. 1. Схема опыта по
измерению периода полураспада свободного нейтрона 1
- вакуумная камера;
2
- пучок нейтронов; 3, 5
- ограничительные диафрагмы, 4
- экран (экранировка внешних полей); 6 -тормозящая сетка; 7 - фокусирующие
электроды; 8
- детектор протонов (пропорциональный счетчик).
некоторых отклонений в мягкой области
энергий (порядка 250 кэВ, по-видимому, обусловленных ошибками измерений) в целом
-спектр хорошо
согласуется с формулой Ферми для разрешённых -переходов
(см. Бета-распад
ядер):
Здесь -энергия
электрона, -граничная
энергия спектра (рис. 2). Эксперимент даёт
782b13 кэВ, что находится в согласии с теоретич. значением, к-рое следует
из данных о массах нейтрона, атома водорода:
= 782,318b0,017кэВ.
Рис. 2. Бета-спектр распада
свободного нейтрона; сплошная линия - теоретическая кривая; кружки соответствуют
экспериментальным значениям с учётом энергетического разрешения .
Угловые корреляции продуктов распада.
Импульсы 3 частиц, образующихся при Б--р. н., связаны друг с другом законом
сохранения, и потому с учётом спина распадающегося нейтрона теоретически возможны
только 4 независимые угловые корреляции. Вероятность распада свободного нейтрона
в единицу времени может быть записана в виде:
Здесь
- форма -спектра,
-
скорость электрона,
- единичные векторы направлений вылета электрона и антинейтрино, а
- константа
связи между направлениями вылета антинейтрино и электрона;
А
характеризует связь между направлением вылета электрона
и направлением спина распадающегося нейтрона ;
В
характеризует связь между направлением вылета антинейтрино
и спином нейтрона ;
D
характеризует корреляцию между
направлением спина s
и нормалью к плоскости разлёта частиц.
Корреляции 
являются пространственно-нечётными, т, е. меняют знак при зеркальном отражении
системы координат. Тройная корреляция-
пространственно-чётная, но является нечётной
по отношению к инверсии времени (T
нечётна).
Распад нейтрона и константы слабого
взаимодействия
. Согласно теоретич. представлениям, осн. вклад в Б--р.н.
должны давать векторные (F) и аксиально-векторные (А
)взаимодействия
(V
-А
-вариант) с безмассовым продольным антинейтрино или (возможно)
с почти продольным антинейтрино, обладающим весьма малой (по сравнению с электроном)
массой. Однако теоретически мыслима суперпозиция ещё 3 (всего 5) вариантов слабого
взаимодействия 4 фермионов
- скалярного (S)
, псевдоскалярного
(P
)и тензорного (T)
. Выяснение вопроса о том, какие же варианты
реализуются в действительности, является гл. задачей исследования бета-распада
ядер и нейтрона. Наиб. надёжным путём решения этой задачи является получение
точных значений констант а, А, В, D
. В случае Б--р. н. интерпретация
экспериментальных данных свободна от неопределённостей, порождённых неизвестными
деталями структуры ядер.
Прецезионные исследования корреляции
антинейтрино- электрон, проведённые в Австр. исследоват. центре в Зайберсдорфе
(1975-78), дали значение а=-0,1017b
0,0051. При этом измерялся
спектр протонов распада, долетевших через вакуумированный канал из активной
зоны реактора. Измерение констант А
и В
стало возможным лишь после
того, как были получены мощные пучки поляризованных нейтронов
(до 10 9
нейтр/с). Наиб. проста схема измерения константы А
. Из заданной области
пучка поляризов. нейтронов регистрируются электроны, летящие в нек-ром телесном
угле, при 2 направлениях нейтронов - параллельно и антипараллельно
оси регистрации электронов, сравнивая скорости счёта
в этих условиях, получают т. н. величину асимметрии:
где -
усреднено по регистрируемой части спектра,
- угол между направлением поляризации нейтро-
Рис. 3. Схема опыта по
измерению электрон-спиновой корреляции: 1
- детектор электронов (сцинтилляционная
пластмасса и ФЭУ); 2
- сетка; 3
- вакуумная камера; 4
- пучок
поляризованных нейтронов; 5
- сферический электрод (+ 25 кВ); 6
-малая
сферическая сетка; 7
- детектор протонов (CsI и ФЭУ): 8
- экран;
9
- коническая сетка (+28 кВ); 10
- диафрагма, выделяющая рабочую
область нейтронного пучка.
нов и импульсом регистрируемого электрона,
К
- коэф. поляризации нейтронного пучка.
В действительности картина усложнена
наличием фона от электронов, не связанных с распадом нейтрона.
Это вынуждает включать детектор электронов на совпадения с детектором протонов
распада. При этом, однако, в асимметрию может внести заметный вклад угловая
корреляция антинейтрино-спин, к-рая в 10 раз сильнее измеряемой. В работах ИАЭ
установка конструировалась так, чтобы обеспечить собирание всех протонов, образующихся
при Б--р. н., что исключало влияние корреляции антинейтрино-спин (рис. 3). Результат
этих работ: А
=-0,114b0,005. Аналогичные исследования, проведённые
в Аргонской лаборатории (США), дали: А
=- 0,113b0,006.
Для константы В
получены значения:
В
= 1,01b0,05 (США) и B =
+0,955b0,035 (СССР). Корреляция
- объект поиска
нарушения Т
-чётности в слабых взаимодействиях. Всего выполнено 6 измерений
константы D
. Наиб. точные дали: D
=+0,0022b0,0030 (СССР)
и D =
-0,0011b0,0017 (Гренобль, Франция). Эти результаты свидетельствуют
об отсутствии искомого эффекта E пределах погрешности измерений.
Полученные при исследовании распада
поляризов. нейтронов значения констант А
и В
позволили сделать
однозначный выбор в пользу V-A
-варианта теории. Хорошим тестом является
соотношение 1+A=B+a
, к-рому должны удовлетворять данные в случае чистого
V-A
-варианта. Однако имеющиеся данные пока ещё не исключают (в пределах
ошибок измерений) наличия в гамильтониане членов скалярного
или тензорного типа, а лишь накладывают ограничения на константы G
соответствующих
слабых 4-фермионных взаимодействий: G S /G V <0,3 и G T /G A
<0,15.
|
Характер эксперимента |
Экспериментальная группа |
||
|
1. Измерение T 1/2
|
К. Кристенсен и др. (РИСО, Дания) |
||
|
П. E. Спивак и др. (ИАЭ, СССР) |
1,276b0, 008 |
||
|
Г. Бирн и др. (Франция) |
|||
|
4. Измерения константы А
|
P. Доброземский и др. (Зайберсдорф, Австрия) |
- Перевод
Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?
Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть . А до этого необходимо ознакомиться со . Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.
Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).
В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.
Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.
Рис. 1
К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.
Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.
Нейтрон может распадаться
Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Рис. 2
Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.
На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc 2) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c 2 .
Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона
0,939565… ГэВ/c 2
После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому - 0,939565… ГэВ!
Но как она распределится?
Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.
Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.
И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.
Итоговая масса-энергия получается равной
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ
Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Рис. 3
Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.
Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.
Дейтрон стабилен
Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с 2 , квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с 2 , можно сказать, что его энергия равнаЭнергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).
< энергия массы протона + энергия массы нейтрона
0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ
Поэтому энергия связи дейтрона равна
1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ
Рис. 4
Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.
Рис. 5
Нейтрон внутри дейтрона не может распаться
Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.
Рис. 6
Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.
Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!
Рис. 7
Другие атомные ядра
И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».
А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.
Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).
Рис. 8
Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.
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 9 лет, тория-232 гораздо больше - 1,4·10 10 лет. 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 9 лет. 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.
Из книги Физики продолжают шутить автора Конобеев ЮрийПослеобеденные замечания о природе нейтрона Ж. Вервье Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г. В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом «Нейтрон», от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако,
Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел Из книги автораИстория открытия нейтрона История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную