Нейтрино - призрачная частица атома - Айзек Азимов

В действительности существуют галактики и другие космические объекты, которые излучают необычно большие потоки энергии в виде света или радиоволн, или того и другого вместе. Сейчас астрономы заняты попытками определить источник этой энергии. Аннигиляция вещества и антивещества — возможный, но не единственный ее источник.

Глава 7. Появление нейтрино

Энергия α-частицы

Законы сохранения строго выполнялись во всех случаях, описанных в предыдущих главах. Когда один из законов оказывался несовершенным, приходилось интерпретировать его по-другому. Так, старый закон сохранения массы был расширен и превращен в более общий закон сохранения энергии. С другой стороны, когда ожидаемые события в действительности не происходили, придумали новый закон сохранения (как было в случае закона сохранения барионного числа). Однако не всегда легко доказать, что законы сохранения выполняются точно. Особенно загадочная ситуация возникла на заре развития ядерной физики при изучении кинетической энергии частиц, испускаемых радиоактивными веществами.

Энергию α-частицы можно определить, измеряя массы исходного радиоактивного ядра, α-частицы и конечного ядра. Суммарная масса α-частицы и конечного ядра должна быть немного меньше массы исходного ядра, а энергетический эквивалент недостающей массы равняться кинетической энергии α-частицы. Измерять с высокой точностью массы различных ядер и других частиц физики смогли только в 20-х годах нашего столетия. Тем не менее, некоторые важные выводы относительно энергий частиц они сделали, не зная точного значения масс.

Рассмотрим торий-232, который распадается на α-частицу (гелий-4) и радий-228. Все ядра тория-232 имеют одинаковые массы. Массы всех ядер радия-228 также имеют одинаковую величину, как и массы всех α-частиц. Не зная величину этих масс, все же можно сказать, что каждый раз, когда атом тория-232 испускает α-частицу, дефицит массы должен быть одинаков, а следовательно, должна быть одинакова и кинетическая энергия α-частиц. Другими словами, торий-232 должен испускать α-частицы с одной и той же энергией.

Как же определить кинетическую энергию α-частиц? Известно, что чем больше энергия α-частицы, тем глубже она проникает в вещество. α-Частицы тормозятся очень тонким слоем твердого вещества, но могут пройти сквозь слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. При этом α-частицы непрерывно передают энергию молекулам воздуха, с которыми они сталкиваются, постепенно замедляются и, захватывая электроны, становятся в конце концов обычными атомами гелия. В таком состоянии их уже нельзя обнаружить методами, с помощью которых регистрируются α-частицы, так что фактически они исчезают.

Обнаружить α-частицы можно при помощи пленки химического соединения, называемого сернистым цинком. Каждый раз, когда α-частица налетает на такую пленку, она вызывает слабую вспышку света. Если рядом с источником α-частиц (скажем, кусочком тория-232 в свинцовом контейнере с очень узким отверстием) поместить сцинтилляционный счетчик, то число вспышек будет соответствовать количеству образующихся α-частиц. Если сцинтилляционный счетчик располагать все дальше и дальше от источника, α-частицы должны будут проходить через все больший и больший слой воздуха, чтобы попасть в него. Если бы α-частицы испускались с различными энергиями, то обладающие наименьшей энергией исчезли бы очень быстро, более «энергичные» α-частицы прошли бы больший путь в воздухе и т. д. В результате по мере удаления сцинтилляционного счетчика от источника число α-частиц, попадающих в счетчик, должно было бы постепенно уменьшаться. Если бы α-частицы вылетали с одинаковой энергией, все они проходили бы в воздухе одинаковый путь. Следовательно, сцинтилляционный счетчик должен был бы регистрировать одно и то же число частиц по мере удаления от источника, вплоть до некоторой критической точки, за которой он не зарегистрировал бы ни одной вспышки.

Именно это явление наблюдал английский физик Уильям Генри Брэгг в 1904 году. Почти все α-частицы, вылетающие из ядер одного и того же элемента, имели одну и ту же энергию и обладали одинаковой проникающей способностью. Все α-частицы тория-232 проходили слой воздуха толщиной 2,8 см, все α-частицы радия-226— 3,3 см, а α-частицы полония-212 — 8,6 см [15]. На самом деле имеются некоторые отклонения. В 1929 году было обнаружено, что небольшая часть частиц одного и того же радиоактивного ядра может обладать необычайно большой кинетической энергией и большей проникающей способностью, чем остальные. Причина этого в том, что исходное радиоактивное ядро может находиться в одном из возбужденных состояний. В возбужденных состояниях ядра имеют большую энергию, чем в своем нормальном основном состоянии. Когда ядро испускает α-частицу, находясь в возбужденном состоянии, α-частица получает дополнительную энергию. В результате помимо основной группы α-частиц образуются маленькие группы α-частиц с большей проникающей способностью, по одной группе для каждого возбужденного состояния.

Когда радиоактивное ядро образуется при распаде другого ядра, оно иногда находится в возбужденном состоянии с момента своего образования. Тогда большая часть испускаемых им α-частиц имеет необыкновенно большую энергию, а α-частицы с меньшей энергией образуют небольшие группы. Эти отдельные группы α-частиц (от 2 до 13) с различными энергиями образуют спектр α-частиц данного ядра. Каждая компонента спектра соответствует, как и предполагали, одному из возбужденных состояний ядра. Итак, закон сохранения энергии α-частиц выполняется, чего нельзя сказать в случае β-частиц.

Энергия β-частицы

Если все выводы, сделанные для α-частиц, были бы применимы к β-частицам и выполнялись бы рассмотренные энергетические соотношения, все образующиеся при распаде ядер β-частицы обладали бы одной и той же кинетической энергией. Однако еще в 1900 году создалось впечатление, что β-частицы испускаются с любой энергией вплоть до некоторого максимального значения. В течение последующих пятнадцати лет доказательства постепенно накапливались, пока не стало совершенно ясно, что энергии β-частиц образуют непрерывный спектр.

Каждое ядро, испуская в процессе распада β-частицу, теряет определенное количество массы. Уменьшение массы должно соответствовать величине кинетической энергии β-частицы. При этом кинетическая энергия β-частицы любого из известных нам радиоактивных ядер не превышает энергии, эквивалентной уменьшению массы. Таким образом, уменьшение массы при любом радиоактивном распаде соответствует максимальному значению кинетической энергии β-частиц, образующихся в процессе этого распада.

Но, согласно закону сохранения энергии, ни одна из β-частиц не должна обладать кинетической энергией меньше энергии, эквивалентной уменьшению массы, т. е. максимальная кинетическая энергия β-частицы должна быть одновременно и минимальной. В действительности это не так. Очень часто β-частицы испускаются с меньшей кинетической энергией, чем следует ожидать, причем максимального значения, соответствующего закону

сохранения энергии, вряд ли достигает хоть одна β-частица. Одни β-частицы обладают кинетической энергией, несколько меньшей максимального значения, другие — значительно меньшей, остальные — намного меньшей. Наиболее распространенная величина кинетической энергии равна одной трети максимального значения. В общем, более половины энергии, которая должна возникать вследствие уменьшения массы при радиоактивных распадах, сопровождающихся образованием β-частиц, нельзя обнаружить.

В двадцатых годах многие физики были склонны уже отказаться от закона сохранения энергии, по крайней мере для тех процессов, в которых образуются β-частицы. Перспектива была тревожной, так как закон оставался справедлив во всех других случаях. Но существует ли другое объяснение этого явления?

В 1931 году Вольфганг Паули предложил следующую гипотезу: β-частица не получает всю энергию из-за того, что образуется вторая частица, которая уносит остаток энергии. Энергия может распределиться между двумя частицами в любых пропорциях. В некоторых случаях почти вся энергия передается электрону, и тогда он имеет почти максимальную кинетическую энергию, эквивалентную уменьшению массы.

Иногда почти вся энергия передается второй частице, тогда энергия электрона фактически равна нулю. Когда энергия распределяется между двумя частицами более равномерно, электрон имеет промежуточные значения кинетической энергии.

Какая же частица удовлетворяет предположению Паули? Вспомним, что β-частицы возникают всякий раз, когда внутри ядра нейтрон превращается в протон. При рассмотрении превращения нейтрона в протон, несомненно, проще иметь дело со свободным нейтроном. Нейтрон не был открыт, когда Паули впервые предложил свою теорию. Мы же можем воспользоваться преимуществом ретроспективного взгляда.