Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

с испусканием электрона. Это одно из обоснований современного представления о протонах и нейтронах как о различных квантовых состояниях одних и тех же частиц — нуклонов. Протон — это протонное состояние нуклона, а нейтрон — его нейтронное со­ стояние.

История изучения ß-распада полна драматических событий. Очень серьезная трудность возникла в связи с энергетическим спектром ß-частиц. Если испускание ß-частиц есть результат пере­ хода ядра из одного состояния в другое, а энергетический спектр ядра линейчатый, о чем свидетельствуют а-распад и у-излученне ядер, то и спектр ß-частиц тоже должен быть линейчатым. Однако в действительности энергетические спектры ß-электронов оказы­ ваются всегда сплошными. На рисунке 129 приведены энергетиче­ ские спектры ß-частиц,, излучаемых, естественно радиоактивным

отложена энергия ß-частиц в кэв, по оси ординат — относительное число ß-частиц, имеющих данную энергию. Как видим, энергетиче­ ский спектр ß-электронов является сплошным: ядра испускают электроны со всевозможными энергиями от нуля до некоторой верх­ ней границы. Наличие верхней границы очень существенно: гра­ фики стремятся к нулю отнюдь не асимптотически, а отчетливо пересекаются с осью абсцисс при предельных значениях энергии, различных для разных ядер.

Исследования показали, что во всех случаях максимальная энергия ß-частиц равна разности энергетических уровней одина­ ковых ядер, испускающих данные частицы. Однако подавляющая часть электронов обладала меньшей энергией. Куда же девается недостающая энергия? В числе других было высказано следующее соображение.

469

Все электроны вылетают из ядра с одинаковыми энергиями, равными разности энергетических уровней ядра, но до выхода из радиоактивного образца частично теряют ее, сталкиваясь с ато­ мами образца. Если это предположение верно, то ß-активный пре­ парат должен сам себя разогревать. Однако самые тщательные калориметрические измерения не обнаружили ожидаемого разо­ грева. Энергия куда-то бесследно исчезала. Некоторые физики, среди которых были и известные ученые, под сильным впечатле­ нием опытных данных даже заявили, что при ß-распаде закон со­ хранения энергии не выполняется. Сразу заметим, что дальнейшее развитие физики показало несостоятельность этого предположения.

Трудность с энергией усугублялась еще трудностью со спином ядер. Как уже отмечалось, характер спина ядра — целочисленный он или половинный (в единицах Ѣ) — определяется массовым чис­ лом ядра: у ядер с четным массовым числом спин целочисленный, с нечетным — половинный. При ß-распаде, как свидетельствует опыт, массовое число не меняется. С другой стороны, опыт говорит о том, что при ß-распаде и характер спина не меняется; спин до­ чернего ядра остается целочисленным при распаде ядра с целым спином и половинным при половинном спине материнского ядра. Но ведь испускаемый ядром электрон обладает половинным спином. Следовательно, при ß-распаде должен меняться характер спина ядра: при целочисленном спине материнского ядра спин дочернего должен быть половинным и наоборот. В действительности, однако, это не имеет места.

Обе серьезные трудности в объяснении ß-распада преодолел в 1931 г. известный швейцарский теоретик В. Паули. Он предполо­ жил, что при каждом акте ß-распада ядро испускает не одну, а две частицы: кроме электрона вылетает еще одна частица, электриче­ ски нейтральная, с ничтожно малой массой по сравнению с массой электрона и со спином, равным спину электрона, т. е. '/2 ^- На основе этой гипотезы известный итальянский теоретик Э. Ферми разработал основы современной теории ß-распада. По его пред­ ложению введенную Паули новую частицу стали называть нейтри­ но, что означает «маленький нейтрон», «нейтрончик» («-ино» — итальянский уменьшительный суффикс).

Гипотеза нейтрино сразу разрешила все трудности теории ß- распада. Недостающую энергию, т. е. разность между максималь­ ной энергией электронов и фактической, уносили нейтрино. Гипо­ теза нейтрино разрешала также затруднение со спином.

Однако подтвердить гипотезу нейтрино на опыте было нелегко. Электрическая нейтральность и ничтожная масса обусловливают слабое взаимодействие нейтрино с веществом. Например, ионизую­ щая способность нейтрино так мала, что один акт ионизации воз­ духа нейтрино приходится на 500 км пути. Колоссальную прони­ кающую способность нейтрино астрономы пытаются поставить на службу своей науке и создать так называемую нейтринную астро­ номию. Толща земного шара этим частицам не помеха, как и толща самого Солнца. Поэтому астрофизики надеются с помощью иейтри-

470

V

Рис. 130.

но, испущенных ядрами, находящимися во внутренних областях Солнца, получить сведения об этой пока недоступной для исследо­ вания области нашего светила. Конечно, фантастическая прони­ цаемость нейтрино оборачивается и отрицательной стороной: если нейтрино легко проходит через что угодно, то как же его «загнать» в прибор, чтобы он смог «рассказать» о глубинных областях Солн­ ца? Случай этот аналогичен тому, который, как говорят, произо­ шел однажды с известным американским изобретателем Эдисоном. Некий гражданин, предлагая Эдисону свои услуги в качестве по­ мощника и желая создать о себе благоприятное впечатление, за­ явил, что он собирается изобрести универсальный растворитель, который растворял бы любыё вещества. Ошеломленный Эдисон тогда спросил: если ваш растворитель будет все растворять, то в чем же вы его будете держать?

Для опытного обнаружения нейтрино, было решено привлечь закон сохранения импульса. Идея опыта такова: если бы ядро при ß-распаде испускало только один электрон, то оно испытывало бы отдачу в направлении, прямо противоположном направлению вы­ лета электрона, причем импульс ядра отдачи был бы численно равен импульсу электрона (рис. 130, а). Если же ядро, кроме электрона, испускает еще и нейтрино, то по закону сохранения им­ пульса векторная сумма импульсов электрона, нейтрино и ядра отдачи должна оставаться равной нулю (рис. 130, б), как и до распада (ядро до распада считается неподвижным). Таким обра­ зом, если нейтрино действительно испускаются, то отдача ядра будет происходить не строго противоположно направлению дви­ жения электрона. Опыты подтвердили это ожидание.

Каждый ' акт ß-радиоактивности есть результат превращения нейтрона в ядре в три частицы: протон, электрон и антинейтрино.

Согласно современным данным, при ß-распаде испускается ча­ стица, называемая электронным антинейтрино.

При этой реакции выполняются законы сохранения электриче­ ского заряда, спина и механического импульса. Нужно выяснить, выполняется ли при этом превращении закон сохранения энергии,

471