Физические явления, физика, статьи по физике.

Физики прозвали незаряженную безмассовую частицу «при­

зраком», так как ее невозможно было обнаружить ни по заряду,

ни по массе. Ее существование было бы очень сложно принять на

веру, пусть даже и ради спасения закона сохранения энергии,

если бы нейтрино не спасли еще три закона сохранения.

Это стало очевидным после применения нейтрино к теории

распада нейтронов. Нейтрон имеет период полураспада 12 мин и

распадается на протон и электрон, причем кинетическая энергия

вылетающего электрона может принимать различные значения.

Тогда, по теории Паули, нейтрон распадается на три частицы:

протон, электрон и нейтрино.

Протон

Электрон

/

/

/

/

Нейтрино

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 слу­

чае 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 ком­

пенсирован импульсом третьей частицы, вылетающей в проти­

воположную 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 про­

сто 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 за­

коном сохранения углового момента (см. ч. I). Спин нейтро­

на, протона и электрона может принимать значение +’/

2

либо

I

г

Предположим, что нейтрон распадется только на протон

и электрон. Общий спин протона и электрона может быть

равен +1, 0 или -1 (+’/

2

и + ‘/

2

, -’/

2

+ »/

2

или -’/

2

+ -’/

2

) . При

любом раскладе общий их спин отличается от спина нейтрона

(+’/

2

или — ‘/

2

), то есть угловой момент не сохраняется.

Теперь предположим, что спин нейтрино может быть равен

+ ‘/

2

или —V,. Тогда общий спин трех частиц может быть ра­

вен +’/, или -у

2

, например +’/

2

, +’/

2

и -’/

2

, то есть угловой

момент сохраняется.

И наконец, третий, более тонкий закон сохранения. В пре­

дыдущей главе я говорил о законе сохранения барионного чис­

ла. Барионное число протона и нейтрона равно +1 , а антипро­

тона 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 рас­

сматриваем 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 по­

зитронов) нет.

No Comments »

Солнца и улететь в космос. Солнечное вещество является вели¬ колепным изолятором, о чем свидетельствует тот факт, что тем¬ пература солнечного ядра составляет 15 ООО ООО “С, а темпера¬ тура поверхности, расположенной всего лишь на расстоянии 688 ООО км, равна каким-то 6000 °С. Однако образующиеся в ядре нейтрино не поглощаются сол¬ нечным веществом. Они пронзают солнечное вещество словно вакуум и со скоростью света вылетают наружу, достигая поверх¬ ности менее чем за 3 с. Столь быстрая потеря энергии снижает температуру солнечного ядра, но незначительно. Некоторая часть солнечных нейтрино достигает Земли и проходит сквозь нее за ‘/ |25 долю секунды. Через каждый квад¬ ратный сантиметр поперечного сечения Земли (и через нас с вами тоже) проходит около 10 млрд нейтрино. Мы подвергаем¬ ся бомбардировке день и ночь, так как даже в ночное время стоящая на пути солнечных лучей Земля не защищает нас от нейтрино. С другой стороны, проходя через нас, нейтрино не вступают во взаимодействие с нашим организмом, поэтому они безвредны. Существует возможность образования нейтрино и антинейтри¬ но без участия протонов и нейтронов. Например, электронно- позитронная пара может образоваться из фотонов гамма-лучей, после чего электрон и позитрон вступают во взаимодействие и образуют нейтрино и антинейтрино: е+ е + -> v° + v°. (Уравнение 14.3) В этой реакции энергия, заряд, количество движения, угло¬ вой момент, а также электронное число сохраняются. Общее электронное число электрона и позитрона равно 0, как и у ней¬ трино и антинейтрино. Вероятность такого электронно-позитронного взаимодействия чрезвычайно мала даже при температуре солнечного ядра, поэто¬ му его нельзя принимать за важный источник нейтрино. Впрочем, в ходе образования звезды ядро становится все горячее и горячее и вероятность преобразования фотонов в нейтроны через элект- ронно-позитронную пару растет. Подсчитано, что при температуре 6 000 000 000 °С преобразо¬ вание фотонов в нейтроны идет настолько интенсивно, что ней¬ троны несут большую часть энергии ядра такой звезды. Нейтроны тут же покидают ядро, унося с собой столько энергии, что ядро взрывается. При этом выделяется огромное количество энергии. Предполагается, что именно в результате этого звезды взрывают¬ ся, образуя сверхновые.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с другой час­

тицей крайне мала, конечно же не означает, что такое взаимо­

действие невозможно. Необходимая для поглощения нейтрино

толщина твердого материала в 3500 световых лет — это лишь

усредненное значение. Для некоторых нейтрино требуется го­

раздо больше вещества, а для некоторых — гораздо меньше.

Существует некоторая, пусть чрезвычайно малая, но не равная

нулю вероятность того, что нейтрино поглотит вещество тол­

щиной всего лишь в километр, а то и в несколько сантиметров.

В 1953 году американские физики Клайд Коуэн и Фредерик

Райнес провели серию экспериментов, целью которых было до­

казать возможность такого взаимодействия. В качестве мише­

ни для протонов они использовали огромные резервуары с

водой (в воде много атомов водорода, ядра которых состоят из

одного протона), поместив их на пути потока антинейтрино,

испускаемых от термоядерного реактора. (Антинейтрино обра­

зовывались в результате быстрого преобразования нейтронов в

протоны внутри ядер продуктов деления.)

Если согласно формуле, обратной формуле 14.1, для образо­

вания нейтрона антинейтрино должен присоединиться к про­

тону, протон должен одновременно присоединить и электрон.

Именно необходимость присоединения двух частиц одновре­

менно сводит вероятность такой реакции практически до нуля.

Однако поглощение электрона эквивалентно испусканию по­

зитрона, и поэтому вероятное взаимодействие нейтрино и про­

тона приобретает следующий вид:

v” + р

+

-» е

+

+ п°.

(Уравнение 14.4)

В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как

вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и

электронное число — антинейтрино (—1) заменяется позитро­

ном (— 1).

Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной

мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны проис­

ходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновре­

менно происходило и огромное количество других явлений, свя­

занных с космическими лучами, паразитными радиоактивными

излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления проис­

ходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтри­

но. Со временем их количество удалось сократить до допустимо­

го предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего

большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конеч­

но же не представляющего преграды для антинейтрино.

Оставалось лишь точно и с максимальной долей увереннос­

ти зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе

этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позит­

рон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождаю­

щуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-

лучей известного запаса энергии.

Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через

несколько миллионных долей секунды поглощается атомами

кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавля­

ется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего

атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное

состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) из­

вестной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание

двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание

еще одного гамма-луча определенной частоты — и является

признаком существования антинейтрино. Насколько известно,

никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки со­

бытий.

В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения уда­

лось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сде­

ланное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.

No Comments »