Характер бета-спектров

Измерения энергии электронов,

вылетающих при бета-распаде,

показали, что в отличие от аль- фа-распада энергии электронов не являются определенными, а

лежат в интервале от 0 до энер-

гии Te max E . Распределение электронов по энер- гиям при бета-распаде называется бета-спектром.

Примерный вид простого бета-спектра (например,

при распаде нейтрона) изображен на рисунке.

Бывают бета-спектры более сложной формы, но об- щими свойствами всех бета-спектров являются, во- первых, их плавность (т.е. отсутствие острых пиков), и, во-вторых, наличие максимальной энергии Te max, на которой спектр обрывается. Эти свойства бета- спектра являются прямым следствием образования при бета-распаде двух частиц: электрона и нейтрино,

(а не одной, как при альфа-распаде). Поэтому энергия E распределяется между электроном и нейтрино слу- чайным образом (часть энергии уносит ядро отдачи, но эта доля еще меньше, чем при альфа-распаде, из- за очень большой разницы в массах между электро- ном и нейтрино с одной стороны и ядром с другой), а при распаде большого числа одинаковых ядер проис- ходит статистическое усреднение, что и дает наблю- даемый непрерывный бета-спектр.

Крайняя левая точка этого спектра (Te = 0) соот- ветствует пределу, когда почти вся энергия уно-

сится нейтрино, а крайняя правая (Te max E ) - когда почти вся энергия уносится электроном. В

настоящее время, когда факт образования ней- трино при бета-распаде надежно установлен,

эти свойства бета-спектра выглядят простыми и

очевидными. Однако в 20-е годы­ XX века, когда изучение бета-распада только начиналось и о существовании нейтрино ничего не было из- вестно, объяснение непрерывного характера бета-спектра вызвало большие трудности.

Высказывались различные гипотезы,

вплоть до отказа от закона сохранения энергии, пока, наконец, в 1931 году В. Паули не предложил гипотезу об обра-

зовании при бета-распаде неизвестной

тогда новой частицы - нейтрино - с очень

необычными свойствами. Более 20 лет

существование нейтрино оставалось ги-

потезой. Прямой опыт по обнаружению

нейтрино был осуществлен только в 1953

году.

Рассматривая внимательно особенности бета-

распада, можно найти очень важные свойства нейтрино. Во-первых, из закона сохранения за-

ряда следует, что электрический заряд нейтри-

но равен нулю. Во-вторых, при бета-распаде массовое число не меняется. Отсюда следует, что характер спина образовавшегося ядра (це- лый или полуцелый) должен сохраниться. Т.к.

спин электрона полуцелый (равен 1/2 ), то спин

нейтрино также должен быть полуцелым, т.е. нейтрино принадлежит к классу ферми-частиц.

Детальное изучение формы бета-спектра

показывает, что спин нейтрино, как и спин элек- трона, равен 1/2 .

т.е. на много порядков больше, чем диаметр Зем-

ли. Поэтому вероятность регистрации нейтрино любым детектором разумных размеров (поряд- ка 10 м) ничтожно мала, и, следовательно, об- наружить какой-то эффект от нейтрино можно только при наличии мощных потоков этих частиц

(например, от ядерного реактора).

Опыт Аллена (Allen J., 1942г)

Первый опыт по доказательству существования

нейтрино носил не прямой, а косвенный характер.

В эксперименте использовался радиоактивный

изотоп бериллий-7, который в результате e-захва-

та превращается в литий-7:

7Be4 e 7Li3 e

Явление e-захвата отличается от - и +-распадов тем, что при e-захвате из ядра вылетает только одна частица - нейтрино, и в этом случае нейтри-

но и ядро отдачи должны иметь определенные значения энергии и импульса, которые легко подс- читать.

Действительно, закон сохранения энергии

(энергия нейтрино связана с импульсом ультрарелятивистским соотношением

E = pc,

т.к. масса покоя нейтрино близка к нулю, а кинетическая энергия ядра отдачи связа-

на с импульсом нерелятивистской форму- лой).

Учтем, что из-за огромной разницы в массах меж- ду нейтрино и ядром отдачи почти всю энергию EK, выделяющуюся при e-захвате, уносит нейт-

Кинетическую энергию ядра отдачи можно изме-

рить непосредственно, причем, как показывает формула (38.9), в эксперименте выгодно ис-

пользовать легкие ядра.