§ 31.3. Бета-распад
В ядрах осуществляется и другой вид преобразований, связанных с превращением нуклонов. Как показали исследования, радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов. Этот вид распада получил название β-распада. В свое время испускание β-радиоактивными ядрами электронов дало основание считать, что последние входят в состав атомного ядра. Но потом выяснилось, что электронов в ядре нет. Откуда же они тогда берутся?
По современным представлениям, существует три разновидности β-распада/
Первый вид распада — электронный распад — протекает по схеме
(31.8)
[
—антинейтрино].
Согласно
гипотезе Ферми, который разработал
теорию β-распада, в ядре возможны взаимные
превращения нуклонов, в результате
которых появляются электроны (
)
и антинейтрино (
):
(31.9)
Эти превращения сопровождаются выделением энергии, так как масса нейтрона больше массы протона. Часто β-распад сопровождается испусканием γ-лучей, которые возникают при переходе дочернего ядра, возникающего при β -распаде, из возбужденного в нормальное состояние.
Второй вид распада — позитронный распад — протекает по схеме
(31.10)
-
позитрон;
- нейтрино
Этот вид распада возможен тогда, когда в ядре один из протонов превращается в нейтрон. В результате этих превращений появляются позитрон и нейтрино:
(31.11)
На протекание реакции затрачивается ядерная энергия, так как масса нейтрона больше массы протона.
У многих ядер тяжелых элементов протекает процесс третьего вида распада, называемого электронным или К-захватом. В этом случае возбужденное ядро захватывает электрон К-оболочки атома, при этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и возникает нейтрино:
(31.12)
В случае K-захвата происходит испускание характеристического рентгеновского излучения.
При β-распаде химический элемент перемещается на одну клеточку вправо в периодической системе Менделеева. Массовое число ядра, при β-распаде не изменяется поэтому не должен изменяться суммарный спин всех нуклонов в ядре, но электрон, обладающий спином ±ћ/2, должен изменять спин ядра. Однако при β-распаде не происходит изменения спина ядра. Анализируя опытные данные, В. Паули предположил, что вместе с электроном из ядра должна вылететь еще одна частица, получившая название нейтрино (v). Она не имеет заряда и массы покоя, но должна иметь спин, равный спину электрона ± ћ/2. При одновременном вылете из ядра электрона и нейтрино возможно, что их спины ориентированы во взаимно противоположных направлениях, поэтому суммарный спин ядра не изменяется.
У нейтрино барионный заряд равен 0. Это означает, что нейтрино, как и электрон, не является барионом. Нейтрино, а также электрон и мюон относят к классу лептонов, в соответствии с чем им приписывают так называемый лептонный заряд, обозначаемый буквой L. У всех лептонов L=1; у частиц, не являющихся лептонами (как, например, нуклоны и пи-мезоны), L =0.
Целесообразность введения лептонного заряда обусловлена тем, что в природе происходят только такие процессы, в которых лептонный заряд сохраняется.
Воспользовавшись законом сохранения лептонного заряда, определим значение L для нейтрино из уравнения для электронного распада, Имеем: 0=0+1+L,. Отсюда L = -1. Отрицательный знак у лептонного заряда нейтрино означает, что в рассматриваемой реакции участвует не просто нейтрино, а антинейтрино.
Согласно
современным
представлениям,
каждой
частице в природе соответствует
своя античастица. Массы
частиц и соответствующих им античастиц
строго одинаковы. Отличие
же между ними состоит в том, что у
античастиц все заряды (электрический,
барионный и лептонный) имеют
противоположный знак. Так, например,
у электрона е-,
мюона
μ- и нейтрино ν лептонный заряд положителен:
L=
1, а у антиэлектрона (или позитрона) е+,
антимюона
μ
+
и антинейтрино
он
отрицателен:
L = -1.
Здесь наглядно показано, что наряду с электроном в данном процессе возникает не просто нейтрино, а его античастица.
Образованием антинейтрино сопровождается бета-распад любого ядра. Однако, учитывая, что его барионный и электрический заряды равны нулю, в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают. По этой же причине не всегда указывают в них и возникающие при радиоактивных распадах γ-кванты.
Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Фактически любое вещество по отношению к распространению в нем нейтрино ведет себя как пустое место. Например, длина свободного пробега нейтрино в воде (при энергии 1 МэВ) составляет 100 световых лет! Разумеется, никто и никогда такой толщи воды на пути нейтрино не поставит. Поэтому реальные нейтрино свободно пронизывают космическое пространство, пролетая сквозь Солнце, Землю и любые другие небесные тела.
При изучении бета-распада и свойств нейтрино ученые столкнулись с новым типом фундаментального взаимодействия — так называемым слабым взаимодействием. Как и сильное, слабое взаимодействие является короткодействующим и потому проявляется только в микромире.