Энергия электронов, вылетающих при (-распаде, оказывалась неодинаковой, но
всегда меньшей, чем рассчитанная теоретически из уравнения энергобаланса.
Кроме того, с вылетом электрона, обладающего определенным механическим
моментом, момент образовавшегося ядра должен был, казалось бы, уменьшиться
как раз на эту величину. Но и здесь эксперимент расходился с теорией. Чтобы
устранить это противоречие, швейцарский физик В. Паули в 1931г высказал
гипотезу, что при (-распаде ядра, кроме электрона (позитрона[3]), рождается
нейтральная частица (частица «невидимка») с массой покоя, равной или
близкой к нулю, уносящая часть энергии и обладающая некоторым моментом
количества движения. Ферми ее назвал нейтрино. На основе этой гипотезы он
построил теорию, по которой (-распад можно рассматривать как превращение
одного из нейтронов ядра в протон, электрон и антинейтрино. Позитронный же
(-распад – как превращение протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино.
Нейтрино оказалось всепроникающей частицей, она не регистрируется
приборами, потому что она не несет электрического заряда. Значит, она не
способна производить ионизацию атомов, расщепить ядра, то есть не может
вызвать эффекты, по которым можно судить о появлении частицы. Нелепо
утверждать, будто частица, какой бы необычной она ни была, вообще ни с чем
не взаимодействует. Иначе введение такой частицы в физику означало бы
замаскированный отказ от закона сохранения энергии. Выходило бы, что
энергия теряется вместе с частицей безвозвратно и навсегда. Поэтому Паули
предположил, что эта частица просто очень слабо взаимодействует с веществом
и поэтому может пройти сквозь большую толщу вещества, не обнаружив себя.
Счетчики не могли уловить его, так как из миллиона миллиардов нейтрино,
проникающих через километровой толщи броню, лишь одно может прореагировать
с ядром брони. Нейтрино было обнаружено только через 26 лет после
предсказания его существования. Американские физики Райнс и Коуэн
установили счетчик с около реактора, в котором распадающиеся нейтроны
ежесекундно рождали больше 5(1019 нейтрино, и зарегистрировали акты
взаимодействия их с протонами.
Период полураспада нейтрона, по результатам разных исследований, определяли
от 18,8 до 20 минут, но самые точные измерения были проведены советскими
ученными П. Е. Спиваком, А. Н. Сосновским и Ю. А. Прокофьевым, которые
показали, что время жизни нейтрона в вакууме 11,7 минут или 702 секунды. В
этом опыте нейтроны из реактора выпускали в специальную вакуумную трубу. На
электрод, расположенный сбоку перпендикулярно оси потока, подавали высокий
положительный потенциал. Протоны, возникающие в результате распада
нейтронов, отклонялись электрическим полем. Эти протоны, повернув под
прямым углом к направлению потока нейтронов, попадали на счетчик,
установленный против электрода, и вызывали А отсчётов в минуту. Зная
интенсивность потока и определив количество нейтронов, проходящих за минуту
мимо электрода N, можно найти постоянную распада нейтрона:
[pic]
Роль нейтрино не сводится только к объяснению (-распада ядер. Очень многие
элементарные частицы в свободном состоянии самопроизвольно распадаются с
испусканием нейтрино. Прежде всего, так ведет себя нейтрон. Только в ядрах
нейтрон за счет взаимодействия с другими нуклонами приобретает
стабильность. Свободный же нейтрон живет в среднем 15 минут. Это было
экспериментально доказано лишь после того, как были построены ядерные
реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.
Как и другие частицы, нейтрино имеет античастицу, называемую антинейтрино.
При распаде нейтрона на протон и электрон излучается именно антинейтрино:
[pic]
Энергия нейтрона больше суммы энергий протона и электрона. Избыточная
энергия уносится с антинейтрино.
Распад нейтрона и других частиц представляет собой превращение в мире
элементарных частиц, а не разъединение сложной системы на составные части.
Отношение частиц-потомков к частице-предку совсем не напоминает отношение
разбитого горшка к целому сосуду. В случае распада нейтрона, например, это
очевидно: так как антинейтрино существует лишь в движении по прямой со
скоростью света, то оно содержаться внутри нейтрона не может. Возникающие
же при распаде нейтрона протон и электрон могут образовывать устойчивую
систему. Однако это будет хорошо известный и превосходно изученный атом
водорода, а не нейтрон.
Так же обстоит дело и с другими частицами, живущими лишь определенный
интервал времени. Распад частицы совсем не является признаком того, что она
не элементарна. Нейтрон, несмотря на свою нестабильность, считается
элементарной частицей, а ядро атома тяжелого водорода – дейтрон, вне всяких
сомнений, состоит из нейтрона и протона, хотя и стабилен.
По современным представлениям, нейтрон – это сложное трехслойное
образование с ядром-керном и двойной оболочкой в виде (-мезонных облачков,
плотность которых убывает к их периферии до нуля.
Нейтроны закутаны в облачные «шубы», состоящие из пионов, которыми они
постоянно перебрасываются с соседними протонами. Предполагают, что все три
слоя нуклона электрически заряжены. Заряды их неодинаковы. В направлении к
периферии у нейтрона существуют электроположительный и электроотрицательный
слои и они распределяются следующим образом: от центра до половины
потенциалы увеличиваются, затем во второй половине слоя уменьшаются и
сходят на нет. Радиус керна порядка 0,1 ферми. Во внутреннем облачке
нейтрона с радиусом порядка 0,5 ферми рассеяны пионы двойной массы, так
называемые би-пионы. Они представляют собой прочно связанные положительные
и отрицательные пионы. Необходимость их существования была предсказана
математически, и они были названы ро-мезонами ((-мезоны). Также была
обоснована вероятность существования другой частицы, состоящей из трех
пионов – положительного, отрицательного и нейтрального, названная омега-
мезонами ((-мезон). Эти частицы очень недолговечны, они существуют около 10-
23 секунд, поэтому их называют моментными образованиями. Третий слой
нейтрона состоит из этих три-пионных образований.
Было бы ошибкой считать, что только нейтрон имеет такое сложное строение;
строение протона не менее сложно, чем нейтрона. В его состав тоже входит
положительного знака тяжелый керн, окруженный мезонной оболочкой.
Для изучения структуры нейтрона американские физики Р. Хофштадтер и В.
Пановский «просвечивали» дейтерий пучком быстрых электронов, ускоренных до
энергии 0,7Гэв[4] и по характеру рассеяния электронов судили о том, какая
часть их рассеялась под влиянием нейтронов, а какая часть под влиянием
протонов, входящих в состав дейтерия.
Дейтерий представляет довольно «рыхлую» систему, в которой протон удален от
нейтрона на сравнительно большое расстояние. На рис 4 показаны
распределения электрического заряда и магнитного момента как функции
расстояния от центра нейтрона. В нейтроне при простреливании его
электронами обнаруживаются разноименно заряженные слои, которые
нейтрализуют друг друга. Эти слои состоят из одних и тех же заряженных (-
мезонных облаков, действие которых усиливается в случае протона и
ослабляется в случае нейтрона.
Одним из первых, кто вместо ?-частиц решил использовать нейтроны для
обстрела ядер атомов, был молодой итальянский ученный Энрико Ферми. В
скромной лаборатории Римского университета Ферми со студентами собрал
первую установку для изучению ядерных реакций, вызываемых нейтронами.
Допустим, что бомбардируют нейтронами изотоп натрия с массовым числом 23,
ядро которого содержит 11 протонов и 12 нейтронов. При поглощении нейтрона
ядром атома натрия-23 энергия ядра увеличивается, оно находится в
возбужденном состоянии. При этом потенциальная энергия ядра увеличивается.
Такое возбужденное ядро неустойчиво. Избыток энергии возбужденное ядро
может выделить путем испускания какой-либо частицы. Реакция идет следующим
образом:
23Na+n>24*Na
Ядро 24*Na, находясь в возбужденном состоянии, существует лишь как
мгновенная переходная форма (что и изображено звездочкой справа) и
распадается с испусканием какой-либо частицы, уносящей избыток энергии.
Реакция может произойти в таких вариантах:
Исход реакции зависит от избытка энергии в возбужденном ядре. Так как связь
частицы с ядром велика, то может оказаться, что энергии возбуждения ядра
недостаточно на испускание частицы. Тогда энергия связи нейтрона выделится
в виде ?-кванта:
1124*Na>1124Na+ ?
Характер этого так называемого «захватного» излучения меняется у различных
элементов. Поэтому удается определить какой изотоп возникает. Ядро 1124Na
«перегружено» нейтронами и не может долго существовать. В нем должны
произойти какие-то изменения для того, чтобы оно вновь стало стабильным.
Прежде всего, если бы нейтрон вылетел из ядра, то ядро снова стало бы
стабильным 1123Na. Но это уже не возможно. Нейтрон не может преодолеть силы
сцепления в ядре и вылететь наружу, так как энергия связи уже выделилась в
виде ?-излучения. В таблице стабильных изотопов существует элемент, у
которого есть стабильный изотоп – 24. Отличается он от радиоактивного тем,
что в нем число протонов на 1 больше и число нейтронов на единицу меньше.
Масса ядра 1124Na на ничтожную долю больше массы 1224Mg. Это означает, что
собственная энергия у 1224Mg меньше чем у 1124Na. То есть при превращении
ядра 1124Na в ядро 1224Mg должна выделится энергия. Следовательно, такой
процесс может происходить произвольно. Это и есть процесс искусственной
радиоактивности, вызванный нейтронами:
1123Na+n*>1124*Na>1224Mg+?-+?
Причем энергия, уносимая ?-частицей а антинейтрино, равна разности энергии
ядер: исходного 1124Na и дочернего 1224Mg.
Вначале результаты опытов Ферми были не очень обнадеживающими. При
бомбардировке легких элементов новые радиоактивные изотопы получены не
были. Были испробованы водород, литий , бериллий, бор, углерод… Никаких
результатов. Но когда дело дошло до фтора, то сразу получили очень
радиоактивный изотоп. Период полураспада его был около 10 секунд. После
этого почти каждый день обнаруживали новый радиоактивный изотоп.
Источник нейтронов приходилось держать достаточно далеко от гейгеровских
счетчиков, так как на фоне сильного ?-излучения, свойственного этим
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
