Нейтрино - призрачная частица атома

Сохранение электрического заряда

В атомном мире существуют, насколько нам известно, три важных закона сохранения, которые выполняются как в повседневной жизни, так и в огромной окружающей нас Вселенной.

К ним относятся законы сохранения импульса, сохранения момента количества движения и сохранения энергии.

Все три закона устанавливают соотношения между массой и скоростью — хорошо знакомыми нам величинами. Но атом и образующие его частицы, оказывается, подчиняются еще и четвертому закону сохранения, касающемуся совершенно незнакомого нам явления. Уже в 600 году до новой эры, благодаря исследованиям греческого философа Фалеса Милетского, было известно, что натертая ископаемая смола — янтарь — обладает свойством притягивать легкие предметы. Теперь принято говорить, что натертый янтарь получает электрический заряд или «электризуется». Слово «электричество» произошло от греческого elektron — янтарь.

В 1773 году французский физик Шарль Франсуа Дюфе продемонстрировал существование двух разных видов электрического заряда, один из которых был обнаружен на натертом янтаре, а другой — на натертом стекле. Разница между двумя этими электрическими зарядами видна из следующего опыта.

Подвесим два маленьких кусочка пробки рядом на шелковых ниточках. К каждому из них прикоснемся куском электрически заряженного янтаря, при этом некоторая часть электрического заряда стечет в каждый из кусочков пробки. Шелковые нити, к которым они подвешены, больше не висят вертикально, а отклоняются под углом. Теперь пробки находятся друг от друга дальше, чем они были до получения заряда. То же самое случится, если обоих кусочков пробки коснуться электрически заряженными кусочками стекла.

Если, однако, одного куска пробки коснуться заряженным янтарем, а другого стеклом, оба кусочка притянутся друг к другу. В этом и заключалась разница, которая привела Дюфе к предположению о существовании двух видов электрического заряда. Возникло обобщение: одноименные электрические заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

В сороковых годах XVIII века американец Бенджамин Франклин, человек широкого кругозора, начал эксперименты с электричеством. Он заметил, что если тела, несущего один вид заряда, коснуться телом, несущим равный по величине заряд другого знака, заряды нейтрализуют друг друга, и оба тела становятся электрически незаряженными. Как будто электрическая жидкость перелилась оттуда, где она была в избытке, туда, где ее не хватало. В результате в обоих местах установился какой-то средний уровень.

Франклин считал, что тело, содержащее электрическую жидкость в избытке, несет положительный электрический заряд, а тело, испытывающее ее недостаток, несет отрицательный электрический заряд. Он не мог сказать, какое тело содержит избыток, а какое недостаток, поэтому он произвольно принял заряд ненатертого стекла за положительный, а натертого янтаря — за отрицательный. Этих обозначений с того времени и придерживаются.

Последующие поколения физиков, изучавших поведение электрически заряженных тел, пришли к выводу, что суммарный электрический заряд замкнутой системы постоянен.

Действительно, когда натирают янтарь, электрический заряд не возникает из ничего. Если янтарь натирают рукой, отрицательный электрический заряд, полученный янтарем компенсируется точно таким же положительным зарядом, который получает рука. Сумма этих двух зарядов равна нулю. Когда электрический заряд с руки уходит в землю и растекается по всей земной поверхности, кажется, что он исчезает. Создается иллюзия «возникновения» заряда на янтаре. Мы рассмотрели уже аналогичные случаи с положительными и отрицательными импульсами или с моментами количества движения по и против часовой стрелки. Следовательно, можно сформулировать четвертый закон сохранения: сохранение электрического заряда.

Ядерные реакции и электрический заряд

Когда в 90-х годах прошлого века физики стали яснее представлять себе структуру атома, они обнаружили, что, по крайней мере, некоторые его части несут электрический заряд. Например, электроны, заполняющие внешние области атома, заряжены отрицательно, а ядро в центре атома несет положительный электрический заряд. Конечно, сразу же возник вопрос о величине этих зарядов, прежде чем ответить, рассмотрим некоторые единицы заряда.

Общепринятой единицей электрического заряда является кулон (по имени французского физика Шарля Огюстена Кулона, определившего в 1785 году величину электрического заряда по измеренной силе притяжения и отталкивания его другими зарядами). В 60-ваттной лампочке каждые две секунды через любую точку нити накала проходит электрический заряд в один кулон. Гораздо меньше электростатическая единица заряда. Кулон равен 3·10⁹ электростатических единиц.

Но даже электростатическая единица чрезвычайно велика для измерения заряда одного электрона. Впервые с достаточной точностью заряд электрона измерил в 1911 году американский физик Роберт Эндрюс Милликен. Он оказался равным примерно половине миллиардной доли электростатической единицы. Согласно последним измерениям, заряд электрона составляет 4,80298·10^-10 электростатических единиц. Чтобы не пользоваться такой неудобной дробью, приняли электрический заряд электрона равным —1, где знак минус означает отрицательный заряд. Любой электрон, участвует ли он в электрическом токе или принадлежит атому какого-либо элемента, имеет заряд, точно равный -1, независимо от точности наших самых чувствительных инструментов.

Простейшее атомное ядро, т. е. ядро атома водорода имеет электрический заряд +1. Насколько позволяют судить наиболее чувствительные приборы, положительный заряд ядра водорода точно равен отрицательному заряду электрона (хотя, конечно, противоположен по знаку). Более тяжелые атомные ядра имеют большие положительные заряды, которые обязательно выражаются целым числом. До сих пор, по крайней мере, не обнаружили какого-либо дробного заряда, положительного или отрицательного.

Атомы каждого элемента имеют характерный ядерный заряд, отличный от заряда атомов других элементов. Например, все атомы водорода имеют ядерный заряд +1, все атомы гелия +2, все атомы углерода +6, все атомы урана +92. Этот ядерный заряд называется атомным номером.

Изотопы отличаются друг от друга массовым числами, но тем не менее они идентичны по атомному номеру и являются атомами одного и того же элемента. Существуют как атомы с ядерным зарядом +1 и массовым числом 1, так и атомы с ядерным зарядом +1 и массовым числом 2. Оба типа относятся к атомам водорода. Их называют водород-1 или водород-2, или ₁Н¹и ₁H², где индекс вверху справа — массовое число, индекс внизу слева— атомный номер. Таким же образом два изотопа урана записывают ₉₂U²³⁸ и₉₂U²³⁵.

Поскольку речь дальше будет идти о сохранении электрического заряда, я буду подчеркивать его количество, обозначая любой изотоп атома урана как U⁺⁹².

Оба изотопа урана радиоактивны. Каждый распадается, излучая α-частицу и превращаясь в атом тория. Атомный номер тория 90, а α-частица, являющаяся ядром атома гелия, имеет атомный номер 2. Тогда можно записать:

U⁺⁹²→ Th⁺⁹⁰ + He⁺².

Начальное атомное ядро имело заряд +92, а два конечных ядра +90 и +2, т. е. в общей сложности +92. Это частный случай общего правила. Атом с атом номером х, излучив α-частицу, всегда превращается в другой атом с атомным номером х—2. Исключений никогда не наблюдали. Следовательно, в случае излучения α-частицы закон сохранения электрического заряда выполняется.

Применим ли закон сохранения электрического заряда к излучению атомным ядром β-частицы? Эта частица представляет собой электрон, который обозначается e^-1, так как электрон имеет заряд -1.

Рассмотрим далее поведение изотопов тория, образовавшихся при распаде урана. Они не очень распространены в природе, поскольку, в свою очередь, быстро распадаются. При этом излучается β-частица и образуется изотоп элемента протактиния, который имеет атомный номер 91 и обозначается символом Ра. Сосредоточив внимание на электрическом заряде, можно записать

Th⁺⁹⁰ → Pa⁺⁹¹ + e^-1.

Снова наблюдаем сохранение электрических зарядов.

Атом с атомным числом х, излучив β-частицу, всегда превращается в другой атом с атомным числом х+1. Исключений из этого правила также не наблюдали. Значит, закон сохранения электрического заряда справедлив и для излучения β-частицы.

Атом, излучающий γ-лучи, не меняет в процессе излучения атомного номера, так как фотон γ-лучей не несет заряда.

Короче говоря, оказалось, что закон сохранения электрического заряда выполняется при любой ядерной реакции.

Строение ядра

Хотя вопрос об излучении β-частицы казался окончательно выясненным, поскольку закон сохранения электрического заряда выполнялся, физики продолжали свои исследования. Для них оставалось загадкой, как положительно заряженное ядро способно испускать отрицательно заряженную частицу.

Тот простой факт, что атомное ядро испускает α- и β-частицы, сам по себе свидетельствует о том, что ядро состоит из еще более мелких частей и, по крайней мере, одна из них должна нести положительный электрический заряд.

Почти десять лет после открытия электрона физики подстерегали некую положительно заряженную частицу, аналогичную отрицательно заряженному электрону. Но поиски не увенчались успехом. Самая маленькая положительно заряженная частица, которую удалось обнаружить, оказалась ядром водорода-1, и ее обозначили ₁H¹. Электрический заряд ее был минимальным, т. е. в точности равнялся заряду электрона, но имел противоположный знак. Однако масса этой частицы была в 1836,11 раз больше массы электрона.

К 1914 году Резерфорд убедился, что ядро водорода является самой легкой положительно заряженной частицей, присутствующей во всех атомных ядрах. Но почему она гораздо тяжелее отрицательно заряженного электрона (хотя обе частицы имеют одинаковые заряды противоположного знака), — он не мог объяснить. И никто не смог, ни тогда, ни теперь. Это остается одной из нерешенных проблем ядерной физики по сей день.

В 1920 году Резерфорд предложил назвать эту положительно заряженную частицу протоном от греческого слова protos — первый, так как из-за своей большой массы он казался первой, т. е. самой важной, среди субатомных частиц. Масса протона по атомной шкале равна 1,00797, и в большинстве случаев без большой погрешности ее принимают за единицу.

Ядро водорода-1 состоит из одного протона. Казалось, все другие ядра должны содержать два или более протонов, но вскоре выяснилось, что атомные ядра (не водорода-1, а другие) не могут состоять только из протонов. Протон имеет электрический заряд +1 и массовое число, примерно равное единице, и если бы ядра состояли только из протонов, их атомный номер должен был равняться атомному числу. Но это верно только для водорода-1. Массовые числа других ядер больше их атомных номеров.

Рассмотрим, например, ядро азота с массовым числом 14. Если бы оно состояло только из протона, его электрический заряд был бы равен +14 и, следовательно, атомный номер был бы тоже 14. В действительности же электрический заряд ядра азота +7 и ядро можно обозначить как ₇N¹⁴. Что же происходит с остальными семью единицами заряда?

Сначала физики думали, что ответ заключается в наличии в ядре электронов. Если бы ядро азота содержало 14 протонов и 7 электронов, суммарная масса семи электронов была бы достаточно маленькой, чтобы ею пренебречь, зато электроны компенсировали бы половину положительных зарядов. В качестве побочного эффекта наличие ядерных электронов сказалось бы также на способности ядра излучать электроны в виде β-частиц. Эта модель строения ядра потерпела крах в вопросе о спине частицы.

Известно, что при движении заряженных частиц создается магнитное поле. В 1928 году английский физик Поль Дирак пришел к выводу, что заряженные частицы движутся даже тогда, когда кажется, что они находятся в покое. Лучше всего предположить, что такие частицы вращаются вокруг своей оси, т. е. имеют определенный момент количества движения. Если частица вращается, она должна обладать энергией, которая поглощается определенными порциями, или квантами. Это справедливо для всех вращающихся тел (даже для планет вроде Земли). Величина кванта, однако, так мала по сравнению с полной энергией вращения Земли, что если бы Земля получила квант или даже триллион квантов энергии вращения, никто ничего не заметил бы. Но если бы такой квант энергии получила субатомная частица, ее вращение заметно изменилось бы, так как для субатомной частицы квант очень велик. Вращение частицы нельзя обнаружить никакими измерениями, но можно показать, что значения спина частицы соответствуют только целому числу квантов энергии. Величина момента количества движения вращающейся частицы чрезвычайно мала. Поэтому была придумана специальная шкала, по которой спин фотона был принят равным единице, по этой шкале протон и электрон имеют спин 1/2 каждый. Момент количества движения бывает направлен по и против часовой стрелки. Протон или электрон могут вращаться в том или ином направлении и, следовательно, их спин равен либо +1/2, либо -1/2.

Рассмотрим систему, содержащую несколько таких частиц. Если справедлив закон сохранения момента количества движения, суммарный спин системы должен быть равен сумме спинов отдельных частиц. Пусть система состоит из четырех частиц — протонов или электронов, или тех и других вместе. Если каждая частица имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин равен нулю или целой величине. Суммарный спин любой системы, содержащей четное число частиц, каждая из которых имеет спин + 1/2 или -1/2, всегда равен нулю или целому числу.

Если же система состоит из нечетного числа частиц каждая из которых имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин никогда не будет равен целому числу или нулю, а будет принимать только полуцелые значения.

Следовательно, если атомное ядро состоит из протонов и электронов, суммарный спин ядра (ядерный спин) зависит от полного числа всех частиц. Тогда, если ядро азота ₇N¹⁴ в самом деле состоит из 14 протонов и 7 электронов, общее число частиц 21, т. е. нечетное, и ядерный спин азота-14 должен быть равен 1/2.

Эксперименты, проведенные в 1929 году, показали, однако, что он равен целому числу.

Такое несоответствие было обнаружено и для некоторых других ядер. Стало совершенно ясно, что, если ядра содержат и протоны, и электроны, некоторые из них нарушают закон сохранения момента количества движения. Физики страшно не любят отказываться от закона, если есть возможность избежать этого, поэтому они бросились на поиски какого-либо другого объяснения строения ядра.

Предположим, что вместо пары протон — электрон в ядре присутствует одна незаряженная частица. Ее существование не влияет на закон сохранения электрического заряда, так как суммарный электрический заряд пары протон — электрон равен нулю, заряд заменяющей их частицы также равен нулю.

Разница заключается в моменте количества движения. Если протон и электрон имеют спины +1/2 или -1/2 каждый, суммарный спин будет равен +1, 0 или -1. Незаряженная же частица может обладать спином +1/2 или -1/2. Ядро азота-14 должно тогда состоять из протонов и незаряженных частиц.

Если масса нейтральной частицы равна массе протона, массовое число должно быть равно 14, а атомный номер (обусловленный одними протонами, так как только они обладают положительным зарядом) — семи, т. е. это был бы изотоп ₇N¹⁴. Только общее число частиц в ядре было бы 14, т. е. четным, вместо нечетного 21. Но при четном числе частиц, каждая из которых имеет спин 1/2, спин ядра азота должен быть целым числом. Таким образом, закон сохранения момента количества движения был бы спасен.

Трудность заключалась в самом отыскании этой незаряженной частицы.

Методы обнаружения субатомных частиц были основаны на их способности выбивать электроны из атомов, с которыми они сталкиваются, превращая их в ионы. Последние регистрируются разными приборами, используемыми физиками для изучения частиц.

Ионы образуются частицами, несущими любой тип заряда Отрицательно заряженная частица отталкивает отрицательно заряженные электроны и выбивает их из атома, вблизи которого она пролетает. Положительно заряженная частица притягивает электроны, вырывая их из ближайших к ней атомов. Незаряженная частица не взаимодействует с электронами, т. е. не образует ионов, а следовательно, ее нельзя обнаружить непосредственно. Тем не менее, существуют косвенные методы обнаружения невидимых обычно объектов. Если вы посмотрите в окно, вы увидите деревья, но не увидите воздуха. Однако если вы заметите, что листва на деревьях колышется, справедливо предположите, что она получает энергию за счет движения каких-то масс, которые вы не в состоянии видеть. Тщательно изучая поведение движущихся листьев, можно много узнать о свойствах воздуха, совсем не видя его.

Начиная с 1930 года ученые стали замечать, что при бомбардировке некоторых элементов α-частицами возникает излучение, которое нельзя обнаружить обычными методами. Если на пути такого излучения помещался парафин, из него вылетали протоны. Что-то сообщало протонам импульс. Переданный импульс был значительным, следовательно, излучение должно было состоять из очень тяжелых или очень быстрых частиц, а возможно, из тяжелых и одновременно быстрых. Английский физик Джеймс Чедвик сумел правильно истолковать полученные данные и в 1932 году заявил об открытии давно подозреваемой нейтральной частицы. Она была названа нейтроном. Нейтрон имеет массу, которая чуть-чуть больше массы протона; в настоящее время она принята равной 1,008655. У нейтрона нулевой электрический заряд и спин +1/2 или -1/2, т. е. именно те свойства, которые были необходимы, чтобы спасти закон сохранения момента количества движения.

Немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг сразу же предположил, что ядро состоит из протонов и нейтронов, т. е. из двух разновидностей нуклонов, которые были упомянуты выше.

Поскольку массовые числа протонов и нейтронов равны примерно единице, массовое число любого ядра равно числу содержащихся в нем нуклонов. Атомный номер, представляющий собой электрический заряд ядра, равен числу протонов, так как только протоны несут электрический заряд. Ядро ₂Не⁴ состоит из 2 протонов и 2 нейтронов (т. е. из четырех нуклонов), ₈O¹⁶ состоит из восьми протонов и восьми нейтронов (т. е. из 16 нуклонов), ₉₀Th²³² состоит из 90 протонов и 142 нейтронов (т. е. из 232 нуклонов).

Все изотопы любого элемента имеют одинаковый атомный номер, следовательно, все они должны иметь одинаковое характерное число протонов в ядрах. Массовые числа у них разные, поэтому они должны иметь разное количество нуклонов. Разница эта возникает только из-за разницы числа нейтронов. Так, ядра двух изотопов углерода, ₆С¹² и ₆С¹³ содержат 6 протонов и 6 нейтронов в первом случае и 6 протонов и 7 нейтронов во втором.

Что касается урана, то ядро ₉₂U²³⁵ состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, т. е. всего из 235 нуклонов, ядро ₉₂U²³⁸ — из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. всего из 238 нуклонов.

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде β-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с β-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица — протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении β-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей β-частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение β-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p⁺, электрон е^- и запишем уравнение излучения β-частицы:

n → р⁺ + е^-.

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, — сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой — пять недель, третий — двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10⁹ лет, тория-232 гораздо больше — 1,4·10¹⁰ лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает α-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает β-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает β-частицы с периодом полураспада 1,3·10⁹ лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.