§ 110. Загадки бета-розпаду. Нейтрино

Явище альфа-розпаду дістало природне і просте пояс­нення в квантовій механіці. Якщо альфа-частинка в ядрі має енергію, більшу від нуля, то альфа-частинка має ймовірність вилетіти з цього ядра. При цьому заряд ядра зменшиться на дві одиниці, а масове число — на 4 оди­ниці.

Явище бета-розпаду пояснюється не так просто. Згідно з правилом радіоактивного зміщення, під час бета-пере-творення заряд ядра збільшується на одиницю, а масове число не змінюється. Оскільки заряд ядра в процесі бета-перетворення змінюється, то бета-перетворення теж в ядерним процесом. Разом з тим бета-промені, як ми вже знаємо, є потоком електронів. Однак в ядрах немає електронів.

До виявлення нейтронів вважали, що атомні ядра складаються з протонів і електронів. З цієї точки зору бета-неретворення пояснювалося просто. Вважалося, що бета-частинка є ядерним електроном і бета-розпад поясню­вався як вилітання з ядра одного електрона. В резуль­таті цього заряд ядра збільшується на одиницю, що й від­повідає правилу радіоактивного зміщення. Однак, грун­туючись на великій кількості фактів і на порівнянні їх з висновками квантової фізики, сучасна теорія будови ядер категорично заперечує присутність електронів усередині ядра. Тоді, природно, виникає запитання: чи можна гово­рити про «випромінювання» чогось того, що не міститься в тій частині простору, з якої відбувається це випроміню­вання.

Якщо в ядрі немає електронів, то яким чином можна пояснити їх вилітання з ядра? Звідки беруться бета-час­тинки? Зрозуміло, що бета-частинка не є електроном елек­тронної оболонки атома, тому шо видалення електрона з оболонки є іонізацією атома, в результаті якої зміни хі­мічної природи атомів не відбувається. З часом іон захоп­лює з навколишнього середовища електрон і знову стає нормальним атомом.

Оскільки бета-частинка не вилітає з ядра і не є електро­ном, вирваним з оболонки атома, можна зробити висновок, що бета-електрон народжується поза ядром внаслідок процесів, які відбуваються всередині ядра. Які ж процеси відбуваються при бета-розпаді всередині ядра?

У процесі бета-розпаду масове число залишається незмінним. Змінюється (підвищується на одиницю) заряд

ядра. Характер бета-перетворення можна подати фор­мулою

(110.1)

яка свідчить, що повний заряд системи залишається незмінним.

Оскільки під час бета-перетворення масове число за­лишається незмінним, значить, залишається незмінним загальне число нуклонів у ядрі. Збільшення ж заряду ядра на одиницю означає, що внаслідок процесів, які відбува­ються в ядрі, число протонів у ядрі збільшилося на оди­ницю. Оскільки масове число залишилося незмінним, то очевидно, що число нейтронівзменшилося відпо-

відно на одиницю. Отже, бета-перетворення в ядрі можна описати як перетворення одного з нейтронів ядра в протон. Внаслідок цього перетворення повинна звільнитися енер­гія (коли б це було не так, то такий процес не міг би від­буватися самодовільно, ядру потрібне було б надходження енергії ззовні). За рахунок енергії, яка звільнюється при перетворенні нейтрона в протон, і виникає бета-електрон.

Старанне дослідження показало, що в процесі бета-роз­паду випромінюються електрони всіх енергій від 0 до пев­ної верхньої межі Е_тах (мал. 221). Неперервний характер спектрів бета-випромінювання виявився несподіваним і дуже дивним. Якщо всі ядра даного бета-активного ізо­топу до розпаду мають однакову енергію (а це дійсно так, тому що багато бета-випромінювачів є продуктами альфа-розпаду, який характеризується певною енергією альфа-частинок), то різне значення енергії бета-частинок, ви­пущених при розпаді окремих ядер, на перший погляд, означає, що ядро-продукт після бета-розпаду може ви­явитися в різних- енергетичних станах, які утворюють неперервну сукупність.

Можна було чекати, що після бета-розпаду ядра-продукти пере­ходитимуть в нормальний стан, випускаючи неперервний спектр гамма-променів. Однак насправді це не мало місця. Багато ядер (продукти бета-розпаду) випромі­нюють незабаром після утворення гамма-промені, але гамма-спектри цих ядер складаються з окремих

дискретних гамма-ліній, тобто не є неперервними. Більше •того, значна кількість бета-активних ізотопів зовсім не випускають гамма-променів після бета-розпаду.

На початкових етапах дослідження процесів бета-розпадів багато разів висловлювалося припущення, до спостережувані неперервні бета-спектри обумовлені Процесами втрати енергії первинними електронами під час їх взаємодії з електронними оболонками атомів і що після вилітання з ядра всі бета-частинки мають однакову енергію.

У 1927 р. і пізніше було проведено так звані калоримет­ричні досліди, які довели неспроможність такого пояснен­ня. В цих дослідах визначалася середня енергія, виділена на один бета-розпад, і порівнювалася з верхньою межею бета-спектру. У всіх цих дослідах був установлений збіг калориметричного значення енергії з середньою енергією бета-спектру, а не з її верхньою межею. Тим самим було переконливо доведено, що безперервність бета-спектру має первинне походження. Створювалося враження, що суціль­ний спектр бета-частинок ніби суперечить фундаменталь­ному закону природи — закону збереження енергії, хоча у всіх інших ядерних процесах цей закон виконується сірого.

Не вдавалося узгодити бета-розпад і з законом збе­реження моменту кількості руху (спіну), з яким більш детально ознайомимося пізніше.

Для подолання цих труднощів швейцарський фізик В» Паулі у 1931 р. запропонував гіпотезу, згідно з якою при бета-розпаді з ядра вилітав ще одна частинка, яка не мав електричного заряду і маса якої надзвичайно мала. Ця частинка дістала назву нейтрино. Позначається вона сим­волом v. Повна енергія, яка виділяється при бета-розпаді ядра, розподіляється між двома частинками: електроном (бета-частинкою) і нейтрино. Чим більша енергія електро­на, тим менша енергія нейтрино, і навпаки.

Якщо електрон дістає максимальну енергію, то енергія нейтрино виявляється рівною нулю, якщо ж електрон зовсім не дістає кінетичної енергії, то всю енергію, крім енергії, яка відповідає масі спокою електрона, дістає нейтрино.

Через відсутність електричного заряду і мізерну масу нейтрино надзвичайно слабо взаємодіє з речовиною і мав величезну проникну здатність. Середній пробіг нейтрино з енергією 1 МеВ у свинцю становить близько 100 світло­вих років (1 світловий рік «ю"км). Безпосередньо

спостерігати нейтрино надзвичайно важко і тому протягом 25 років про їх існування можна було судити за побічними ознаками. Лише у 1953—1956 рр. в дослідах американ­ських фізиків Ф. Рейнеса і К. Коуена удалося виявити взаємодію нейтрино з речовиною і тим самим відкинути всілякі сумніви щодо його існування.

Згодом було установлено, що в бета-розпаді беруть участь двоє нейтрино: нейтрино (v) і антинейтрино (v).

Наприклад, можлива така реакція:

У результаті бета-випромінювання утворюється нове ядро з тим самим масовим числом, але з атомним номе­ром, на одиницю більшим: