БЕТА-РАСПАД ЯДЕР

Радиоактивные излучения являются основной информацией о структуре ядра и процессах, происходящих внутри них. В этом отношении важные результаты были получены при изучении бета-распадов.

Прежде всего необходимо было решить вопрос о происхождении вылетающих из ядра электронов. Предположение, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, было отвергнуто, так как при этом должно было бы наблюдаться рентгеновское и оптическое излучение. С другой стороны, ряд соображений указывает на то, что в ядре не могут находиться электроны:

1) магнитный момент одного электрона в сотни раз больше магнитного момента ядер;

2) если радиус протона, рассчитываемый на основании предположения, что энергия заряженной частицы равна энергии, содержащейся в его электрическом поле (см. ч. III, § 7),

оказывается значительно меньше измеренных размеров ядра см, то электрон по той же формуле имеет размеры почти в 2000 раз больше и поэтому в объеме ядра уместиться не может;

3) согласно соотношению Гейзенберга (см. § 11), одна только неопределенность в скорости электрона, вынужденного пребывать в пределах ядра оказывается чрезвычайно большой:

(для протона что допустимо).

Существенное затруднение возникло при объяснении суммарного заряда и спина многих ядер. Например, ядро азота имеет заряд 7 и спин, равный единице. Если допустить, что оно состоит из 14 протонов и 7 электронов, то мы получим систему из нечетного числа частиц со спином 1/2; суммарный спин такой системы никак не может быть равным единице. Точно так же ядро дейтерия (дейтрон — не могло бы иметь спин, равный единице, если бы было составлено из двух протонов и одного электрона. Эти затруднения устраняются в протонно-нейтронной теории ядра, поэтому вопрос о происхождении электронов нужно было решать в рамках этой теории.

Другой важный результат был получен при измерениях энергии и импульсов электронов, вылетающих из ядер. Экспериментальные возможности современной физики позволяют измерять скорости и энергии не только частиц, вылетающих из ядер, но и самого ядра, испытывающего отдачу.

Рис. IV. 105

Рис. IV. 106

Предварительно было установлено, что при распаде одно ядро выбрасывает один электрон. Тогда, согласно закону сохранения импульса, после каждого такого акта скорости ядра и электрона должны были лежать на одной прямой, тогда как, по наблюдениям, они составляли между собой разные углы. Это означает, что в процессе бета-распада возможно участвуют и другие частицы.

Измерения показали, что электроны, появляющиеся при бета-распаде одинаковых ядер, имеют различные скорости (и энергии) от нуля до некоторого максимума, характерного для этого ядра. На рис. IV. 105 показан типичный непрерывный спектр энергий электронов бета-распада. Если радиоактивный препарат поместить в калориметр и измерить выделившуюся энергию, то энергия, приходящаяся на каждый электрон, оказывается равной той средней энергии, которая определяется указанным на рис. IV. 105 распределением электронов по энергиям. Таким образом, казалось бы, эти измерения свидетельствуют о том, что электроны вылетают из ядра с различными энергиями. Однако другие данные не согласуются с этим предположением. Известно, что некоторые ядра превращаются в другие по двум каналам: либо сначала выбрасывают альфа-частицу и затем (через некоторое время) электрон, либо, наоборот, сначала испускают электрон, а затем альфа-частицу. Схемы двух таких превращений, совершаемых изотопами тория и актиния, приведены на рис. IV. 106.

Согласно закону сохранения энергии, при переходе системы из одного определенного состояния в другое через различные последовательности промежуточных состояний разность энергии должна быть одной и той же. В указанных выше переходах эта разность оказывается одинаковой только в том случае, если полагать, что при бета-распаде электроны вылетают из ядра не со средней энергией а с максимальной энергией Еткс. Таким образом, эти измерения показывают, что при бета-распаде выделяется определенное количество энергии и остается неясным вопрос, почему энергия вылетающих электронов оказывается меньше

Перечисленные выше затруднения привели В. Паули к гипотезе о существовании новой частицы — нейтрино, вылетающей из ядра вместе с электроном. Энергия, освобождающаяся при одцом акте бета-распада, распределяется между электроном и нейтрино в различной пропорции. Нейтрино не имеет заряда и массы покоя, поэтому он обладает исключительно большой проникающей способностью и не задерживается стенками калориметра, вследствие чего вместо измерения полной энергии бета-распада удается определить только энергию электронов. Для устранения затруднений со спином ядер было предположено, что нейтрино имеет спин, равный половине. На основе этой гипотезы Ферми разработал теорию бета-распада.

При бета-распаде общее число нуклонов в ядре остается постоянным, но числа протонов и нейтронов изменяются. Предполагается, что в условиях ядра возможны взаимные превращения нуклонов, сопровождающиеся рождением электронов, позитронов и нейтрино (обозначаемое

Впоследствии оказалось, что нейтрино, выделяющиеся при этих превращениях, несколько отличаются друг от друга, поэтому получило название «электронное нейтрино», «электронное антинейтрино» (кроме них существуют еще «мюонные» нейтрино и антинейтрино; см. § 23). Так как масса нейтрона больше массы протона, то первая реакция идет с выделением энергии, а вторая требует затраты некоторого количества ядерной энергии.

У многих ядер (главным образом тяжелых) превращение протона в нейтрон происходит путем захвата электрона из электронной оболочки атома по схеме

Этот процесс называется электронным захватом (иногда -захватом, так как электрон втягивается в ядро преимущественно из ближайшего к нему -слоя; вероятность захвата электрона из -слоя примерно в 100 раз меньше). Электронный захват обнаруживается по испусканию характеристического рентгеновского излучения, возникающего при заполнении образовавшихся вакансий в электронной оболочке атома. Радиоактивные ядра, испускающие протоны или нейтроны, в природе не встречаются и могут быть получены только искусственно. Кратковременное образование таких ядер устанавливается косвенно, по течению некоторых реакций, Например, появление ядер

(испускающего протон) и (испускающего нейтрон) обнаруживается при изучении реакций:

В последнее время Г. Н. Флеровым и его сотрудниками была обнаружена «протонная радиоактивность» у ядер, полученных при бомбардировке никелевой мишени ускоренными ядрами неона-20. Однако важнейшим естественным радиоактивным процессом, при котором изменяется число нуклонов и состав ядра, является альфа-распад.