Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

54.(1). Свойства нейтрино.

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 энергиям 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 ћ), то спин нейтрино также должен быть полуцелым, т.е. нейтрино принадлежит к классу ферми-час-тиц. Детальное изучение формы бета-спектра показывает, что спин нейтрино, как и спин элек- трона, равен 1/2 ћ.

Наконец, из того факта, что нейтрино не ионизи- рует атомов вещества, через которое оно проле- тает, следует, что магнитный момент и масса этой частицы либо очень малы либо равны нулю. Как в настоящее время установлено, сечение взаимо- действия нейтрино с ядром 10-47 м2, поэтому

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).

Из закона сохранения импульса следует, что

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 (34.4), в эксперименте выгодно ис- пользовать легкие ядра.