Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Следовательно, утверждать, что нейтрон «состоит» из тесно связанных протона и электрона, по-видимому, нельзя. Правильнее говорить в более общем смысле (см. фиг. 135).

Упомянутые выше превращения [А] и [В] — это лишь тени более сложных событий, которые разыгрываются среди частиц и зарядов. Превращение типа [В] происходит спонтанно для свободных нейтронов: нейтроны радиоактивно распадаются на протон, электрон ( 1H +и е -), и нейтрино с периодом полураспада, примерно равным 12 минутам. Превращение [А] не может происходить без затраты дополнительной энергии. В таком превращении, теперь это достоверно известно, также участвует нейтрино. Во всех превращениях выполняются два правила:

1. Сохраняется заряд: если возникают новые заряды, то при этом число положительных и отрицательных зарядов одинаково.

2. Сохраняется число частиц при условии, что частицы и им соответствующие античастицы (например, е -и е +) считаются «одинаковыми, но противоположного знака» и вычеркиваются при подсчете [163].

Общий вывод таков: «старое представление о том, что частица представляет собой связку других частиц, следует оставить и использовать для ядерных превращений установленные новые правила». На молекулы в химии распространяется старая идея кулинарного рецепта для приготовления торта: например, можно говорить, что молекула воды состоит из двух атомов Н и одного О.

Однако если распространить его дальше на субатомный уровень и говорить, что «нейтрон состоит из протона и электрона», то при этом можно ввести себя в заблуждение. Здесь кулинарная аналогия заведет нас слишком далеко. К подобным утверждениям следует относиться с осторожностью, как относятся к утверждению ребенка, вытащившего червяка из яблока и сказавшего: «Из яблока получился червяк!»

Приведем еще некоторые экспериментальные данные относительно структуры нейтрона:

1) Масса нейтрона на 0,001 а.е.м. больше массы протона. Если учесть связанный с массой дополнительный запас энергии 1 Мэв, выделение энергии в превращении нейтрон —> протон не является неожиданным. Однако такое превращение нельзя представить как простое раскалывание на куски нестабильного образования, потому что

2) хотя свободный нейтрон и нестабилен, в атомных ядрах он живет бесконечно долго,

3) хотя у нейтрона нет заряда, вокруг него существует магнитное поле, что, по-видимому, указывает на движение внутри него каких-то зарядов,

4) результаты обстрела нейтронов (в связанном состоянии в атомных ядрах) электронами как будто свидетельствуют о том, что магнитное поле существует и внутри нейтрона, однако в нем нет и намека на какие-либо заряды.

Существует предположение, что нейтрон обладает внутренней структурой, возможно, представляет собой протон с вращающимся вокруг него отрицательным мезоном. Однако такое предположение выглядит рискованным, поскольку, если его понимать буквально, оно находится в противоречии с некоторыми экспериментальными фактами.

Аннигиляция вещества

Может также происходить событие, противоположное рождению пар. Позитрон встречается с обычным отрицательным электроном, и они исчезают, рождая γ -лучи:

е ++ е -—> γ + γ.

Для того чтобы выполнялся закон сохранения энергии и импульса, в результате реакции должно возникать два γ -луча, движущихся в противоположных направлениях. Они и наблюдаются, если радиоактивный образец, излучающий β +, поместить между двумя цилиндрическими счетчиками. Счетчики тогда регистрируют одновременно пару γ -лучей как раз той энергии, которую следовало бы ожидать, — 0,5 Мэв каждый. Их энергию можно измерить по числу ионов, которые создаются в ионизационной камере γ -лучами при выбивании электронов.

Фиг. 136. а — аннигиляция; б— образование пар.

Задача 4. Аннигиляция электронов

Покажите, что, если при превращении пары электронов в пару γ -лучей не происходит потери массы, каждый γ -луч обладает энергией, равной 0,5 Мэв.

Лирическое отступление

Таким образом, соотношение Е= mс 2выполняется не только для быстрых частиц, но применимо также и к рождению и аннигиляции вещества. Критикам, отрицавшим это, говоря, что «электроны — не обычное вещество», пришлось ждать с 1930 по 1955 г., чтобы увидеть рождение ядер водорода — протонов и антипротонов. Сегодня на самых больших ускорителях можно получать частицы с энергией в несколько миллиардов электронвольт, которые способны создавать такие пары за счет своей кинетической энергии.

Теперь известны целые серии таких «зеркальных» пар: электроны и позитроны, протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Частицы последней пары не обладают зарядами противоположного знака, так как у них вообще нет заряда, но они отличаются по своим магнитным и спиновым свойствам. Встречаясь друг с другом, частицы и античастицы немедленно аннигилируют. Некоторые ученые усмехаются над выдумками фантастов, когда они рисуют «антиматерию» и «антимиры», однако не следовало бы. Ведь предсказание Дирака о существовании положительных электронов вначале тоже казалось абсурдным.

Новые радиоактивные ядра

В наше время радиоактивные ядра с искусственной радиоактивностью легко получатся путем введения в них дополнительных нейтронов. При этом заряд ядра не меняется ( тот же самый элемент, те же самые химические свойства), но обладает слишком большой массой, слишком большим числом нейтронов при данном числе протонов. Такая теснота чревата превращениями: переходом одного из нейтронов в ядре в протон. Это происходит при распаде нестабильного ядра. Причем рождаются «+» и «—» заряды; «—» заряд улетает из ядра в виде маленькой частицы: рождается электрон и уносится в виде β -луча. (Одновременно должно также испускаться невидимое нейтрино.)

Период времени с 1930 по 1940 г. был ознаменован богатым потоком ядерно-физических данных. Можно было похвастаться: квадратные клетки периодической системы элементов, отвечавшие каждому элементу, разрослись в целый ряд ячеек, в которых поселились различные изотопы. Стабильные и нестабильные, все — атомы одного и того же элемента, но с разной массой. Для каждого нестабильного изотопа добывалась новая информация: период его полураспада, частицы, которые он излучает, энергия, выделяющаяся при его распаде.

Фиг. 137. Таблицы

Сплошные черные квадратики изображают стабильные изотопы. Светлые квадратики — «искусственные» нестабильные радиоактивные изотопы, создаваемые при облучении и т. п. Крестиками помечены «естественные» радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе. (Большинство из них, за исключением обычного калия, имеющего один радиоактивный изотоп, отвечают самым большим атомным номерам.)