Кикоин А.К. Две загадки бета-распада //Квант. - 1985. - № 5. - С. 30-31, 34.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Как известно, естественный бета- радиоактивный распад состоит в том, что ядра атомов одного элемента самопроизвольно испускают бета-частицы, то есть электроны, и при этом превращаются в ядра другого элемента с атомным номером на единицу большим, но с прежней массой («Физика 10», § 103). Символически это превращение записывается так:

\(~^M_ZX \to \ ^M_{Z+1}Y +\ ^0_{-1}e\) .

Здесь X - исходное ядро, Y - продукт распада, е - электрон (верхний индекс «0» показывает, что масса электрона по сравнению с атомной единицей массы очень мала).

Тщательное изучение бета-распада показало, что это явление таит в себе две загадки.

Загадка первая: «пропажа» энергии

Если ядро X самопроизвольно превращается в ядро Y , то это значит, что энергия W X ядра X больше, чем энергия W Y ядра Y . А энергия вылетающей при этом бета-частицы должна быть равна разности энергий W X - W Y (если пренебречь энергией отдачи).

Поскольку все исходные ядра X одинаковы, равно как одинаковы и все получающиеся из них ядра Y , все вылетающие бета-частицы должны иметь одну и ту же энергию. Опыты же показывают, что энергия практически всех бета-частиц меньше, чем разность энергий W X - W Y . Точнее: β -частицы имеют различные энергии, и все они лежат в пределах от нуля до максимального значения, равного W X - W Y . Например, для бета-частиц, испускаемых ядрами \(~\ ^{210}_{83}Bi\) (период полураспада 5 дней), максимальное значение энергии около 1 МэВ, а средняя энергия, приходящаяся на долю одной частицы, меньше чем 0,4 МэВ.

Создавалось впечатление, что бета-распад - это процесс, в котором, в нарушение закона сохранения энергии, энергия пропадает бесследно. Некоторые физики склонны были думать, что закон сохранения энергии, безусловно верный в мире макроскопических процессов, «необязателен» для некоторых процессов, связанных с элементарными частицами. К этой мысли (о возможности нарушения закона сохранения энергии) склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможно найдутся процессы, при которых энергия не пропадает бесследно (как в случае бета-распада), а наоборот возникает из ничего.

Нейтрино

Закон сохранения энергии был, однако, «спасен» швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он высказал предположение, что при бета-распаде из ядра вылетает не только электрон, но и еще одна частица, на долю которой и приходится недостающая энергия. Но почему эта частица никак себя не обнаруживает: не ионизует газ, как это делает электрон; ее энергия при столкновениях с атомами не переходит в тепло и т. д.? Паули объяснял это тем, что придуманная им частица электрически нейтральна и не обладает массой покоя .

Очень странной казалась эта частица, которой итальянский физик Энри ко Ферми дал имя - нейтрино. Все назначение нейтрино состояло в том, чтобы «спасти» закон сохранения энергии. С такими частицами физикам иметь дело еще не приходилось. Тем не менее, идея Паули о новой частице быстро получила всеобщее признание. Советский физик A.И. Лейпунский уже в 1936 году придумал способ ее обнаружения. Однако окончательно ее реальное существование было доказано только в 1956 году, почти через 26 лет после того, как она «родилась» в мозгу физика с богатым воображением - B. Паули.

Загадка вторая: откуда берутся электроны?

Эта загадка бета-распада (ее можно было бы поставить и на первое место) состояла вот в чем.

Как известно («Физика 10», § 107), атомные ядра всех элементов состоят только из протонов и нейтронов. Как же из ядер могут вылетать электроны, которых там нет, и нейтрино, которых там тоже нет?

Объяснить этот удивительный факт (из ядра вылетает то, чего там нет) можно только тем, что частицы - протоны и нейтроны, образующие ядро, способны взаимно превращаться друг в друга. В частности, бета-распад состоит в том, что один из нейтронов, входящих в ядро радиоактивного элемента, превращается в протон.

При этом в ядре оказывается одним протоном больше, чем было, а общее число частиц остается прежним. Просто один из нейтронов стал протоном. Но если бы дело только тем и ограничилось, был бы нарушен закон сохранения электрического заряда. Природа таких процессов не допускает! Так вот, оказывается, что вместе с превращением нейтрона в протон в ядре рождаются электрон, отрицательный заряд которого компенсирует положительный заряд появившегося протона, и нейтрино, которое уносит определенную долю энергии. Таким образом, при бета-распаде в ядре происходит превращение одного из нейтронов в протон и рождение двух частиц - электрона и нейтрино. Протон остается в ядре, электрон же и нейтрино, которым в ядре быть «не полагается», вылетают из него.

Заметим, что процесс бета-радиоактивного распада несколько напоминает процесс испускания светового кванта (фотона). Бета-частица и нейтрино рождаются в момент перехода ядра из одного состояния в другое, аналогично тому как фотон испускается атомом при переходе электрона, входящего в состав электронной оболочки атома, с одного энергетического уровня на другой.

Откуда приходят электроны, когда электрический генератор производит электричество? Это с воздуха? Будет ли генератор работать в вакууме? У электронов есть масса, так откуда бы их вытащить, если ничего нет?

КДН

Да. Электроны, которые отвечают за токи от генератора, являются свободными электронами в самих проводах; вся твердая материя частично состоит из электронов, поэтому если у вас есть генератор, у вас много электронов.

Ответы

анна v

Можно получить электроны (отрицательные заряды) и положительные ионы в статическом электричестве . Это ясно показывает, что нейтральные атомы не являются неделимыми. Трение может дать силу для извлечения электронов и оставить ионы с положительным зарядом, как это часто случается при ходьбе по коврам.

Диск Фарадея, первый электрический генератор. Подковообразный магнит (А) создавал магнитное поле через диск (D). Когда диск поворачивался, это вызывало электрический ток радиально наружу от центра к ободу. Ток протекал через скользящий пружинный контакт m, через внешнюю цепь и обратно в центр диска через ось.

это - электроны в металлах, которыми управляют магнитные силы в проекте, снова разделяя заряды на движение электрона и положительные ионы. Металлы имеют очень слабо связанные электроны, которые в совокупности принадлежат морю Ферми и могут генерировать ток электрического генератора.

Таким образом, ответ таков: атомы поставляют электроны из своих внешних электронных оболочек . Это атомы в генераторе, которые снабжают электроны, и да, это будет работать в вакууме.

Лахиру Перера

Точно так же, как ваш водяной насос не генерирует воду, электрический генератор не генерирует электроны, он просто перетаскивает электроны из одного места в другое.

Manishearth ♦

В настоящее время ваш ответ не очень полезен, и он намного меньше, чем ранее существовавшие ответы. Может быть, вы могли бы уточнить это?

Джерри Ширмер

Проводящий материал - это материал, через который электроны могут свободно течь.

Напряжение - это разница в электрической потенциальной энергии на единицу заряда - если у меня есть источник 10 В, и я даю +1 С заряда, протекающего от положительного контакта к отрицательному контакту, я передам 10 Дж энергии этому обвинять. Электрический генератор генерирует разность потенциалов между двумя клеммами (обычно как напряжение постоянного тока или как напряжение переменного тока). В обычных бытовых приборах это напряжение подключено к проводу, и электроны в проводящем проводе - это то, к чему передается потенциальная энергия в батарее.

Всегда так: если радуется дождю садовод, то турист проклинает этот некстати разразившийся ливень. Жарко светит солнце - и опять кому-то хорошо, а кому-то и нет. Увы, идеала на свете не бывает, и угодить на всех невозможно.

До открытия нейтрона физики думали, что атомное ядро состоит из протонов и электронов. Это очень огорчало теоретиков - в их расчетах не сходились концы с концами. Но зато совершенно спокойны были экспериментаторы, изучавшие радиоактивный бета-распад ядер. Им не приходилось ломать голову над тем, откуда берутся электроны.

Нейтрон своим появлением перевернул все вверх дном. Теперь радовались теоретики, потому что нейтронно-протонная модель строения ядра ликвидировала все их затруднения. Но радость гасла и меркла от одного взгляда в сторону тех, кто занимался исследованием радиоактивности. Они требовали ответа на один-единственный, но чрезвычайно тяжелый вопрос: откуда берутся электроны при бета-распаде ядер, если их там нет?

Неужели опять надо отказаться от такой чудесно простой картины строения ядра и сделать шаг назад? Неужто, увидев наконец ясные горизонты, снова погружаться в пугающую пучину непонятных, не согласующихся друг с другом фактов?

Поставленный в упор вопрос: откуда же в ядре берутся электроны? - заставил физиков сделать громадный шаг вперед. Быть может, не менее серьезный, чем шаг с признанием электронов.

Двадцать три века назад Демокрит наделил мир атомов свойством неделимости, неизменяемости. В самом конце XIX века физики сорвали этот ярлык с атомов и ничтоже сумняшеся перевесили его на элементарные частицы! Очень трудно было физикам представить себе кирпичики материи без привычного спокойного и надежного ярлыка.

Основатель квантовой механики В. Гейзенберг первый разрешил загадку ядра. Он предположил, что нейтрон в ядре может иногда превращаться в протон плюс электрон и нейтрино. Протон остается в ядре, а остальные "возникающие" частицы покидают его. Внешне такое превращение выглядит как радиоактивный бета-распад.

Так вот откуда берутся электроны! Впервые исследователи микромира открыли взаимную превращаемость элементарных частиц.

Нейтрон, как потом выяснилось, вне ядра живет не более 12 минут, распадаясь на протон, электрон и нейтрино. Со свободным протоном ничего подобного не случается. Но в радиоактивном ядре энергетическая обстановка складывается так, что даже стабильный протон может превратиться в нейтрон, позитрон и нейтрино. По имени элементарной частицы - позитрон - это событие в жизни радиоактивного ядра стали величать позитронным распадом.

Что это за новая частица - позитрон?

Она и новая, и будто бы уже давно знакома нам. Это точная копия электрона, только с обратным знаком электрического заряда. Казалось бы, и упоминать о ней нечего, если она необходима лишь для нескольких слов о позитронном распаде ядер.

Но нет. Частица эта играет особую роль в истории физики элементарных частиц. Открытие позитрона приоткрыло двери в мир античастиц. Оно продемонстрировало нам еще одно свойство материи - ее способность превращаться из весомой формы в форму энергии!

Все началось с того, что в 1931 году молодой физик-теоретик Кембриджского университета Поль Дирак получил уравнение, описывающее движение электрона. Вскоре он обнаружил, что уравнение это имеет два решения, то есть, помимо электрона, оно пригодно для описания еще одной частицы. Получалось так, что эта частица должна быть полностью аналогична электрону, но с положительным электрическим зарядом.

В то время - а случилось это более сорока лет назад - никто не слыхал об античастицах, а единственной известной физикам частицей с положительным зарядом был протон. Но протон из-за большой массы не отвечал второму решению уравнения Дирака.

Сначала казалось, что это чисто математический курьез. Но все попытки исключить второе решение ни к чему не привели. Одно из двух: либо неверна теория Дирака, либо в природе существует положительно заряженный электрон.

Предсказание Дирака было настолько необычным, что даже крупнейшие ученые далеко не сразу приняли его. Ландау, например, лишь спустя три десятилетия заявил: "Кто спорит, что Дирак за несколько лет сделал для науки больше, чем все присутствующие в этой комнате за всю свою жизнь?"

Спустя год, в 1932 году, в космических лучах был обнаружен позитрон. В камере Вильсона нашли следы частиц, которые могли принадлежать только электрону, но с положительным зарядом.

При исследовании космических лучей с помощью камеры Вильсона экспериментаторы использовали метод, предложенный еще в 1927 году советским физиком Д. Скобельцыным. Камера Вильсона помещалась между полюсами электромагнита. Это давало возможность не только видеть след элементарной частицы, но и по его искривлению в магнитном поле измерять энергию и определять знак электрического заряда пролетевшей через камеру представительницы микромира. На фотографиях, полученных в камере Вильсона, было отчетливо видно, что следы электрона и позитрона отклоняются в противоположные стороны.

Опыт подтвердил теорию. Двадцативосьмилетний Поль Дирак пополнил список лауреатов Нобелевской премии.

После открытия позитрона возник вопрос: а не имеет ли каждая элементарная частица "антиотражения"? Экспериментаторы занялись поисками антипротона в космических лучах. Электрон-позитронная пара будто бы подтверждала теорию Дирака. Но нет-нет да и закрадывалась мысль об исключении, сделанном природой именно для этих частиц.

"Интервал времени между предсказанием антипротона и его наблюдением в 1955 году был слишком велик, - говорил академик Я. Зельдович, - и у некоторых теоретиков нервы не выдержали - в последние годы появились попытки построить теорию без антипротонов".

Лишь четверть века спустя после предсказания Дирака группа американских ученых под руководством Эмилио Сегре и Оуэна Чемберлена обнаружила антипротон. А через год нашли и антинейтрон.

Ухватившись за позитронный конец, физики сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее стали вытягивать сеть с античастицами. И теперь никто уже не сомневается в том, что у каждой элементарной частицы есть своя тень - соответствующая античастица.

Изучая следы позитронов в камере Вильсона, физики сразу же обнаружили, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, взаимно "уничтожаются" - аннигилируют.

За природу бояться было нечего - она при этом ничего не теряла. Масса обеих частиц превращалась в другой вид материи - в энергию, количество которой легко подсчитать по известной формуле Альберта Эйнштейна Е = mc 2

"Этот результат новейшей физики, - писал лауреат Нобелевской премии Макс Лауэ, - является самым потрясающим из всего, что когда-либо приносило развитие естествознания".

Какими же странными оказались элементарные кирпичики материи! Даже такие стабильные частицы, как протон и электрон, могли "исчезнуть" вместе со своими античастицами. Невольно закрадывалась мысль: как могли до нашего времени сохраниться древние породы, сложенные из такого непрочного материала?

Но дело все в том, что элементарные частицы проявляют готовность к превращениям только в специфических условиях радиоактивных ядер и при встрече с античастицами. В доступной нам области мира стабильных ядер неизмеримо больше, чем радиоактивных. А от аннигиляции нас спасает отсутствие в заметных количествах античастиц.

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь» .

Еще Фалес Милетский (за 600 лет до н э.) заметил, что, если янтарь сильно потереть о ткань, он начнет притягивать к себе легкие предметы. Довольно долго считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Однако то же самое происходит с предметами из пластмассы и других синтетических материалов. Вы легко можете наблюдать это явление с расческой и волосами: после расчесывания расческа начинает притягивать волосы (а сами расчесанные волосы, обратите внимание, начинают отталкиваться друг от друга).

В основе описанных явлений лежит явление электричества . Оно заключается во взаимодействии микроскопических частиц, обладающих зарядом - положительным или отрицательным. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а частицы с противоположными зарядами притягиваются. Электроны - это мельчайшие элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом. Имя электронам дал англичанин Дж. Дж. Стоуни. Он предложил называть так неделимую частицу заряда.

Как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов - микроскопических частичек. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра и оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами, а вот оболочка состоит из электронов, и поэтому называется электронным облаком.

Электрический заряд есть не только у электронов, но и у протонов (нейтроны электрически нейтральны, как и говорит их название). В атоме электроны притягиваются к ядру, потому что у него положительный заряд за счет заряда протонов, а у электронов - отрицательный. Но, несмотря на эти свойства, электроны с ядром полностью не соединяются, так как находятся в постоянном движении. А сам атом полностью является электрически нейтральным, потому что в атоме число протонов равно количеству электронов.

В металлах часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться. Направленное движение этих электронов обусловливает явление, без которого мы с вами вряд ли можем представить себе нашу жизнь - электрический ток. Поэтому металлы называют проводниками : они могут проводить электрический ток. Вещества, которые не могут проводить ток, называют изоляторами , или диэлектриками .

Вернемся к началу нашего повествования и ответим на вопрос: почему же электризуется янтарь? Прежде всего, обратите внимание, что трением можно наэлектризовать только изоляторы. При трении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате тела обретают противоположные заряды. Наэлектризовать трением можно только изоляторы, потому что только в этих телах электроны, перебравшиеся с одного тела на другое, остаются там, куда они попали. В проводниках они начинают свободно перемещаться.

Как вы уже, наверно, догадываетесь, суммарный заряд пары тел, которые терли друг о друга, равен нулю, то есть такая паря электрически нейтральна .

Янтарь электризуется трением очень легко, так же как эбонит, стекло или кошачий мех.