Объяснение бета распада. Нейтрино

Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.

Бета-распад бывает трех видов:

1. Один из нейтронов (n) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е) и антинейтрино (v,) Это — P- -распад.

A(Z,N)~A(Z + 1, N — 1) + е + v, (n-+-р + е + ~,), где А (Z, N) — обозначение ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. Простейший вид из всех видов распада — распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.

2. Протон, входящий в состав ядра, распадается на нейтрон (n), позитрон (e+) и нейтрино (v). Это — P+ -распад.

А(Z, N)-+-А(Z — 1, N + 1) + е+ + v (p ~ n + е+ + v).

Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.

3. Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с зарядом на 1 меньше:

A(Z, N) + е ~A(Z — 1, N + 1) + v, (р + n -~-л + v). р-частица при этом не излучается.

Когда физики начали изучать бета-распад, о существовании нейтрино (v), обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.

Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы,— сплошной энергетический спектр электронов, излучаемых при бета -распаде.

В этом процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождающейся энергии. Вся она идет на электрон, и поэтому все бета-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию Е. А на опыте наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии, вплоть до максимально возможной — Е0.

Физики предположили, что виноват источник: 1 - частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы бета -частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделяющуюся за определенное время.

Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну бета-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к Е0, но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.

Выход из положения нашел швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он высказал предположение, что при бета-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Ее не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть энергии. Так родилось представление о нейтрино.

Теория бета-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Э. Ферми. В ней ученый предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент распада нуклона в ядре. Он ввел в теорию константу 6, которая играла для бета-распада такую же роль, что и заряд е для электромагнитных процессов, и вычислил ее величину на основании экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму бета-спектров и связать граничную энергию распада Е0 со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, т0~т).

В течение следующих лет теорию стремились видоизменить, дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем физики убедились, что все эти дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединенного слабого и электромагнитного взаимодействия включает его как первое приближение.

Приведем некоторые данные о бета-распаде ядер.

Граничная энергия бета -частиц (E0) — от нескольких КэВ до — 17 МэВ.

Время жизни ядер по отношению к бета-распаду — от 1,3 10-2с до — 2 1013 лет.

Пробег бета-частиц в легких веществах - несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.

Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6·1010 нейтрино, испущенных Солнцем[1]. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями[2].