Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Распад нейтрона

Разница между распадом до трех частиц вместо двух очень важна с связи с законом сохранения количества движения (см. ч. I). Если нейтрон в состоянии покоя распадается лишь на две частицы, они должны разлететься в противоположном друг от друга направлении по прямой траектории. Только в этом случае закон сохранения количества движения будет соблюден.

Если же этот нейтрон распадется на три частицы, то две из них вылетят по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и их общий импульс будет компенсирован импульсом третьей частицы, вылетающей в противоположную сторону.

В результате проведенных исследований распада нейтрона выяснилось, что образующиеся протон и электрон вылетают по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и что для сохранения количества движения просто необходимо существование третьей частицы, вылетающей по другую сторону от этой линии.

Как только удалось понять сущность спина частиц, стало ясно, что нейтрино очень удобно использовать и в связи с законом сохранения углового момента (см. ч. I). Спин нейтрона, протона и электрона может принимать значение +½ либо –½. Предположим, что нейтрон распадется только на протон и электрон. Общий спин протона и электрона может быть равен +1, 0 или -1 (+½ и +½, –½ + ½ или –½ + –½). При любом раскладе общий их спин отличается от спина нейтрона (+½ или –½), то есть угловой момент не сохраняется.

Теперь предположим, что спин нейтрино может быть равен +½ или –½. Тогда общий спин трех частиц может быть равен +½ или –½, например +½, +½ и –½, то есть угловой момент сохраняется.

И наконец, третий, более тонкий закон сохранения. В предыдущей главе я говорил о законе сохранения барионного числа. Барионное число протона и нейтрона равно +1, а антипротона и антинейтрона –1. При распаде нейтрона барионное число сохраняется, так как из нейтрона (барионное число +1) образуется протон (барионное число +1).

А существует ли подобный закон для электронов, где число электрона будет равняться +1, а позитрона –1? Если мы рассматриваем только эти две частицы, то не будет. Например, в результате распада нейтрона образуется в том числе и один электрон, хотя в начале распада никаких электронов (или позитронов) нет.

Рассмотрим семейство электронов, включающее не только электроны и позитроны, но и нейтрино. Чтобы все сошлось, нам нужны еще и антинейтрино. Отличие антинейтрино от нейтрино заключается в направлении магнитного поля вращающейся частицы, как и в случае с нейтроном и антинейтроном (см. гл. 13). Электронное число нейтрино будет равно +1, а антинейтрино –1.

Теперь рассмотрим распад нейтрона с точки зрения вышесказанного. Электронное число нейтрона равно 0, так как он не является членом электронного семейства. Нейтрон распадается на протон (электронное число 0) и электрон (электронное число +1). Если добавить сюда и еще антинейтрино (электронное число –1) вместо нейтрино, то действует закон сохранения электронного числа (электронное число равно 0 до и после распада нейтрона).

Так же как и нейтрино, антинейтрино спасает законы сохранения энергии, количества движения и углового момента, а кроме того, добавляет еще один — закон сохранения электронного числа. Обозначив нейтрино как ν, а антинейтрино как ν–, можем записать следующую формулу распада нейтрона:

n0 → р+ + е— + ν–. (Уравнение 14.1)

С другой стороны, продуктом преобразования протона в нейтрон с испусканием позитрона (см. гл. 13) является частица с электронным числом –1. Для компенсации необходимо добавить еще и нейтрино (электронное число — 1). Запишем это:

p+ → n0 + е+ + ν0. (Уравнение 14.2)

И действительно, допуская образование в ходе ядерных реакций нейтрино и антинейтрино, мы можем сохранить соблюдение четырех законов сохранения: энергии, количества движения, углового момента и электронного числа. Ради получения этой «компенсации в четырехкратном размере» придется признать существование нейтрино и антинейтрино независимо от того, можно их обнаружить или нельзя.

Взаимодействие нейтрино

Несмотря на косвенное доказательство существования нейтрино и антинейтрино через законы сохранения, физики решили успокоиться только после обнаружения этих частиц. Для того чтобы обнаружить нейтрино или антинейтрино, необходимо, чтобы эти частицы вступили в распознаваемое взаимодействие с другими частицами.

Например, в процессе распада нейтрона до протона испускается антинейтрон. А может ли происходить обратный процесс, то есть превращение протона в нейтрон в результате поглощения антинейтрино? Тогда в процессе поглощения антинейтрино могли бы остаться какие-либо распознаваемые следы.

К сожалению, вероятность поглощения антинейтрино очень мала. Период полураспада нейтрона до протона равен 12 мин.

Это означает, что существует 50%-ная вероятность испускания нейтроном протона за эти 12 мин. Отсюда следует, что, если антинейтрино находится в непосредственной близости от протона в течение 12 мин, существует 50%-ная вероятность поглощения его протоном.

Однако антинейтрино не может находиться в непосредственной близости от протона не то что 12 мин, а и одной миллионной доли секунды. Безмассовые частицы, такие как нейтрино, антинейтрино, фотон и гравитон, сразу же после образования начинают движение со скоростью света и продолжают двигаться с этой скоростью до самого момента поглощения. Это значит, что антинейтрино будет находиться в непосредственной близости от протона всего лишь в течение 10–28 с, а в этом случае вероятность взаимодействия между этими частицами крайне мала. Нейтрино и антинейтрино настолько малы, что для их поглощения необходимо твердое вещество толщиной в среднем 3500 световых лет.

Ситуация с фотоном диаметрально противоположна. Фотон также перемещается со скоростью света, однако, когда ситуация с энергией требует испускания атомов фотона, испускание происходит уже спустя 10–8. Соответственно для успешного поглощения фотона частица должна находиться в непосредственной близости от атома в течение всего лишь 10–8. Кроме того, длина волны фотона гораздо больше, чем нейтрино (если рассматривать обе частицы в виде волн), поэтому фотону для преодоления объекта необходимо больше времени, чем нейтрино, несмотря на то что обе частицы движутся с одинаковой скоростью.

Гамма-лучи поглощаются свинцовой плитой толщиной всего лишь 3 м. Видимый свет, длина волны которого еще больше, чем у гамма-лучей, настолько медленно проникает сквозь один атом, что поглощается веществом толщиной всего в несколько атомов.