§ 111. Штучна радіоактивність. Позитрон

Відкриття природної радіоактивності відіграло велику роль у вивченні будови і властивостей атомних ядер. Воно давало можливість зондувати ядра за допомогою альфа-частинок, які мають досить великі енергії і здатні прони­кати всередину ядра. Бомбардуючи різні речовини альфа-частинками, французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі у 1934 р. виявили дивовижне для того часу явище: при тривалому опроміненні деяких речовин альфа-частин­ками опромінені ядра зазнають радіоактивного розпаду після припинення дії на них альфа-променів. Так було від­крито явище штучної (наведеної) радіоактивності, яке по­лягає в тому, що під дією альфа-частинок, а також інших частинок, можуть виникати штучні радіоактивні ядра, які дають власні радіоактивні випромінювання. Принци­пової різниці між природною і штучною радіоактивністю немає, вони підпорядковані однаковим законам.

Можливість існування штучної радіоактивності випли­вав з таких міркувань. Енергія атомного ядра залежить не лише від числа нуклонів А, з яких побудоване ядро, а й від складу ядра, тобто співвідношення числа протонів і нейтронів у ньому. Тому для ядер з даним масовим числом А енергія буде різна для різних Z. При певному значенніенергія матиме мінімальне значення. Аналіз складу стійких атомних ядер (властивості яких залишаю­ться з часом незмінними) показує, що бони справді мають певне співвідношення нейтронів і протонів, яке позначимо

черезЗначення цього відношення для легких ядер,

включаючидорівнює 1, а до кінця таблиці 1,5.

Обстрілюючи ядра альфа-частинками, протонами, ней­тронами чи іншими частинками високих енергій, можна змінити склад ядра. Наприклад, можна збільшити в ньому

надмір нейтронів так, щобуде більшим заабо збіль­шити в ядрі число протонів і дістати нерівність

Такі ядра матимуть підвищені значення енергії і повинні бути нестійкими: вони зазнаватимуть радіоактивного роз­паду і перетворюватимуться в ядра стійких ізотопів. Пере­творення радіоактивних ядер припіде шляхом перетворення надмірного протону в нейтрон, а при — шляхом перетворення надмірного нейтрона

впротон. Ці міркування дають підстави чекати появи штучної радіоактивності в таких ядрах.

Отже, ядра з надміром нейтронів мають бути бета-ра-діоактивними. Один з нейтронів у таких ядрах перетворює­ться:Розглянемо кілька прикладів.

Одержані радіоактивні ядра ізотопів внаслідок радіо­активного розпаду випромінюють електрони і перетво­рюються в стабільні:

Під час бомбардування алюмінію нейтронами утво­рюються радіоактивні ізотопи натрію, магнію і алюмінію:

Впливаючи на стабільні атомні ядра, можна збільшити в них надмір не нейтронів, а протонів. Що ж станеться далі з такими ядрами? Оскільки такі ядра мають підви­щене значення енергії, то вони повинні бути радіоактив­ними, зазнавати радіоактивного розпаду і перетворювати­ся в ядра стійких ізотопів. Перетворення таких ядер повинно здійснюватися шляхом перетворення надмірного

протона в нейтрон. А це означає, що штучно радіоактивні ізотопи можуть давати новий тип радіоактивного розпаду, невідомий серед природних радіоактивних елементів. А саме, вони можуть випромінювати позитивно заряджену частинку з масою, що дорівнює масі електрона; заряд цієї частинки за числовим значенням збігається із зарядом електрона, відрізняючись від нього лише знаком. Така частинка дістала назву позитрона. Існування позитронів було вперше виявлене при вивченні космічних променів, про що пізніше розповімо.

Радіоактивне перетворення ядер з випромінюванням позитронів прийнято називати бета-плюс-радіоактивним перетворенням, або додатною бета-радіоактивністю. Існу­вання додатної бета-радіоактивності виявили Ірен і Фре-дерік Жоліо-Кюрі в 1933 р. Шляхом бомбардування бору, магнію і алюмінію альфа-частинками їм пощастило ді­стати відповідно ядра ізотопів: азоту, кремнію і фосфору, які виявилися радіоактивними.

Появу позитронів у процесі розпаду вказаних радіо­активних речовин було доведено шляхом спостереження слідів (треків) частинок у камері Вільсона, вміщеній в сильне магнітне поле. В магнітному полі ці частинки відхилялися так, як відхиляється рухома позитивно за­ряджена частинка. Іонізуюча здатність цих частинок збіг­лася з іонізуючою здатністю електронів і різко відрізня­лась від іонізуючої здатності протонів, що вказувало на приблизну рівність мас позитронів і електронів.

Відкриття позитронів відіграло велику роль у роз­витку наших знань про елементарні частинки. До відкрит­тя позитронів вважалося, що існує істотна різниця між носіями від'ємного і додатного елементарних зарядів \е\. Носіями елементарного від'ємного заряду — є є електрони з їх дуже малою масою. Як носії додатного елементарного заряду (-\-е) були відомі лише порівняно масивні протони, які є ядрами найбільш простого з атомів — водню Тепер з'ясувалося, що існують позитрони — частинки, аналогічні електронам, які відрізняються від них лише знаком заряду.

Все сказане вище про неперервний енергетичний спектр електронів, випромінюваних у процесі природної бета-ра­діоактивності, відноситься і до спектру енергій позитронів, які виникають при штучній додатній бета-радіоактивності. Це означає, що випромінювання позитронів супроводжує­ться вилітанням з ядра нейтрино.