§ 93. Энергетические уровни ядер. Внутренняя конверсия. Нейтрино

Внутриядерные протоны и нейтроны связаны специфическими ядерными силами. Такая система с квантовой точки зрения может находиться только в определенных энергетических состояниях аналогично электронной оболочке атомов, хотя сами эти состояния существенно отличаются от электронных.

Экспериментальные выводы об энергетических уровнях атомных ядер базируются на измерениях энергии частиц и фотонов, испускаемых ядрами при радиоактивных превращениях и при искусственном расщеплении ядер. Чтобы дать хотя бы некоторое представление об этом важном разделе ядерной физики, рассмотрим несколько примеров, поясняющих, как измерение энергии -частиц и у-фотонов, испускаемых при радиоактивном распаде, позволяет определить энергетические уровни ядра.

Точные измерения энергии -частиц производят, изучая их отклонения в магнитном поле. Такие измерения показали, что во многих случаях -лучи, испускаемые радиоактивным элементом, состоят, как упоминалось в § 88, из нескольких групп частиц, имеющих различные скорости, а следовательно, и энергии.

Рис. 352. Энергетический спектр -частиц

На рис. 352 представлен энергетический спектр -частиц полученный с помощью магнитного спектрографа. Резкость линий свидетельствует отом, что все -частицы одной из групп испускаются ядром со строго одинаковыми значениями энергии. На эту величину энергии, дополненную величиной кинетической энергии отдачи, которую по закону сохранения количества движения приобретает ядро при вылете -частицы, и происходит изменение внутренней энергии ядра, когда оно испытывает превращение с выбросом -частицы данной группы.

Простейший спектр имеют -лучи, испускаемые радием при его превращении в радон В этом случае наблюдаются только две группы -частиц с энергиями 4,794 и К этим значениям энергии должна быть прибавлена кинетическая энергия отдачи образующегося ядра радона, равная Таким образом, при -превращении радия в радон с выбросом -частиц первой группы внутренняя энергия, ядра (энергия уровня ядра) уменьшается на а при аналогичном превращении с выбросом -частицы второй группы энергия ядра уменьшается на В первом случае возникающее ядро радона оказывается на

низшем энергетическом уровне в нормальном состоянии; во втором случае ядро радона оказывается в возбужденном состоянии на энергетическом уровне Переходя в нормальное состояние, оно испускает у-фотон с энергией Именно такое у-излучение и наблюдается в действительности. Приведенный расчет уровней энергии ядра радона схематически представлен на рис. 353.

Более сложен энергетический спектр -лучей тория часть этого спектра изображена на рис. 352; магнитный анализ излучения тория С обнаруживает пять групп -частиц. Энергии этих различающихся по скоростям групп -частиц, дополненные энергией отдачи ядра, т. е. энергии превращения приведены во втором столбце данной ниже таблицы. При выбросе a-частицы с наибольшей энергией образуется ядро тория оказывающееся в нормальном состоянии.

Спектр альфа-лучей тория С и гамма-лучей тория

(см. скан)

Рис. 353. Уровни энергии ядра радона (по спектру -лучей радия).

При выбросе -частиц с меньшими значениями энергии образующееся ядро тория оказывается в возбужденном состоянии и, переходя в нормальное, излучает у-фотон с энергией, равной разности энергий этих стационарных состояний. В четвертом столбце таблицы приведены значения разности энергий соответствующих уровней, а в последнем столбце для сопоставления — найденные экспериментально энергии фотонов, излучаемых торием Совпадение рассчитанного спектра у-излучения с найденным экспериментально является полным (в пределах неизбежных ошибок измерений). Схема, представленная на рис. 354, иллюстрирует таблицу.

Многочисленные расчеты подобного рода не оставляют сомнений в том, что ядерные превращения подчинены квантовым законам и что возможные энергетические состояния атомных ядер всегда характеризуются строго определенными энергетическими уровнями.

В сопоставлении с этим неопровержимо доказанным фактом представляется весьма неожиданным то обстоятельство, что электроны ядерного -излучения образуют непрерывный энергетический спектр, т. е. имеют самые разнообразные энергии вплоть до некоторой максимальной. Правда, магнитный анализ -лучей, как уже упоминалось в § 89, обнаруживает наряду с непрерывным спектром -электронов несколько групп электронов, обладающих определенными скоростями. Но установлено, что эти электроны, образующие в магнитном спектре -лучей резко очерченные линии, вырываются из электронной оболочки атомов, а не излучаются непосредственно ядром.

Рис. 354. Уровни энергии ядра спектру -лучей

Энергии электронов, образующих линейчатый спектр, в точности таковы, как если бы электроны были вырваны из оболочек атома жестким у-фотоном, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний ядра. Так, в магнитном спектре -излучения имеются линии, которые соответствуют энергиям электронов: 36,7; и энергии ионизации для внутренних слоев соответственно равны: 16,3; 15,6; 13,4; как легко аиеть, сумма энергий электрона и энергии ионизации одинакова для всех указанных групп и равна Поэтому одно время считали, что -электроны, образующие дискретный спектр энергий, представляют собой как бы «вторичные -лучи», которые возникают вследствие того, что испускаемые ядром у-фотоны поглощаются различными слоями электронной оболочки атома, вырывая оттуда электроны. Однако такая трактовка линейчатого спектра -лучей оказалась несостоятельной, так как измерения показали, что число электронов в -лучах, образующих этот спектр, в сотни раз превышает возможный эффект ионизации атома у-фотонами. В настоящее время считают, что ионизация атома, приводящая к появлению в -излучении линейчатого спектра, происходит без участия в этом процессе у-фотона и вызывается непосредственной (аналогичной внутреннему удару) передачей энергии возбужденного ядра электронной оболочке атома, из которой

в итоге выбрасывается один из электронов. Такой процесс называют внутренней конверсией.

Дискретные значения энергии тех -электронов, которые вследствие внутренней конверсии выбрасываются электронной оболочкой атома, как уже было пояснено, строго соответствуют скачкообразным изменениям квантовых состояний ядра и атома в целом. Но для всех остальных -электронов характерно непрерывное распределение энергии (вплоть до некоторой максимальной величины), как показано на рис. 355. Вместе с тем надежно установлено, что именно -электроны с непрерывным, а не дискретным распределением скоростей имеют, несомненно, ядерное происхождение.

Рис. 355. Бета-спектры фосфора и алюминия

Это ставит перед нами два вопроса: 1) как возникают -электроны ядерного происхождения и 2) почему в отличие от -частиц, выбрасываемых ядром, -электроны уносят с собой энергии, которые как угодно (в пределах до некоторой максимальной величины) отличаются от разности дискретных энергетических уровней ядра?

Что касается первого вопроса, то в начале XX в., когда предполагали, что электроны содержатся внутри ядра, ответ на него казался самоочевидным: -превращение толковалось как выброс из ядра одного из содержащихся в нем электронов. Но, основываясь на большом числе фактов и на сопоставлении их с выводами квантовой механики, современная теория строения ядер категорически отрицает присутствие электронов внутри ядра. Тогда, естественно, возникает затруднение: допустимо ли говорить об «излучении» чего-то такого, что не содержится в той части пространства, из конторой происходит это излучение.

По этому поводу уместно вспомнить, что кванты света, обладающие во многих отношениях свойствами частиц, несомненно, излучаются электронной оболочкой атомов, несмотря на то, что в ней фотоны «в готовом виде» не содержатся.

Эта аналогия, конечно, не исчерпывает вопроса, и хотя в математическом отношении она оказалась ценной и используется в квантовой электродинамике, тем не менее от полного понимания

процесса возникновения -электронов мы еще далеки. Одно несомненно, что возникновение -электрона всегда сопутствует превращению нейтрона в протон, точно так же как возникновение позитрона сопутствует превращению ядерного протона в нейтрон.

Второй из сформулированных выше вопросов с квантовомеханической точки зрения вначале казался трудно объяснимым. Действительно, поскольку при излучении ядро переходит из некоторого вполне определенного энергетического квантового состояния в другое, тоже определенное, квантовое состояние, то казалось, что скорости излученных электронов должны были бы иметь только такие значения, при которых их энергия равняется разности энергий квантовых состояний ядра, как это имеет место при излучении -частиц. Конечно, -электроны не уносят энергии большей, чем разность энергий квантовых уровней, между которыми совершается переход, но непрерывность распределения скоростей -электронов с указанной точки зрения свидетельствует о том, что часть энергии перехода как будто бесследно теряется. Чтобы преодолеть это неожиданное нарушение закона сохранения энергии, Паули высказал предположение, развитое Ферми и впоследствии принятое всеми, что одновременно с излучением -электрона излучается еще одна частица, уносящая «остаток» энергии квантового перехода. Если бы эта частица имела заряд или достаточно большую массу покоя (порядка массы электрона), то при экспериментальных исследованиях -превращений она не осталась бы незамеченной; поэтому несомненно, что упомянутая частица, получившая впоследствие название антинейтрино, не несет заряда и имеет весьма малую или равную нулю массу покоя (когда в явлениях искусственно вызванной — индуцированной — радиоактивности были обнаружены позитроны, имеющие распределение скоростей, аналогичное -электронам, сходную частицу, сопутствующую излучению позитронов, стали называть нейтрино).

Поскольку ядро одновременно испускает электрон и антинейтрино (или позитрон и нейтрино), то понятно, что энергия, равная разности энергий стационарных состояний ядра, может оказаться как угодно распределенной между двумя выброшенными частицами. Этим объясняется непрерывный спектр ядерного -излучений. Если бы нейтрино не существовало, то в единичном акте -превра-щения оказался бы нарушенным закон сохранения энергии: часть энергии квантового перехода ядра уносится электроном или позитроном, остаток же энергии пришлось высчитать исчезающим бесследно.

Вследствие отсутствия заряда и ничтожной массы, нейтрино и антинейтрино не производят на своем пути ионизации воздуха; эти частицы могли бы вызвать образование в среднем одной пары ионов на пути в тысячи километров. Чтобы хотя бы косвенно подтвердить существование нейтрино, экспериментаторы изучали энергию отдачи, приобретаемую атомами при выбросе нейтрино.

При обычных и -превращениях выброс нейтрино или антинейтрино (обозначим их через происходит одновременно с выбросом электрона или позитрона

где нейтрон и протон. Из уравнений этих реакций следует, что количество движения ядра отдачи должно быть равно геометрической сумме количеств движения электрона и антинейтрино -превращении) или позитрона и нейтрино -превращении). Допустим, что измерены импульсы отдачи ядра и электрона (или позитрона) и оказалось, что их геометрическая сумма не равна нулю. Это явилось бы убедительным доказательством существования нейтрино.

Однако такого рода опыты чрезвычайно трудны. Менее убедительным, но более легким методом является измерение распределения по энергиям ядер отдачи, которое в случае существования нейтрино должно сильно отличаться от распределения -частиц. Впервые такие опыты были проведены советским физиком Лейпунским. Более удачным в экспериментальном отношении является изучение -захвата. В этом случае, как пояснено в предыдущем параграфе, превращение внутриядерного протона в нейтрон не сопровождается возникновением и выбросом позитрона, а осуществляется в результате захвата в ядро электрона -слоя:

Таким образом, когда ядерное превращение происходит с -захватом, выбрасываются не две, а только одна частица—нейтрино. Стало быть, измерение импульса отдачи, получаемого ядром при -захвате, может служить довольно убедительным доказательством, что из ядра вылетает нейтрино (с тем же импульсом).

Измерения энергии и импульса отдачи ядер при -захвате, проведенные Алленом, Шервином и др., экспериментально подтвердили в поясненном выше смысле существование нейтрино.