А.А.Гришаев, независимый исследователь

Введение.

Проблема массы нейтрона – это вопиющая проблема в физике. Распад нейтрона свидетельствует о том, что строение нейтрона обеспечивается не с помощью дефекта масс. Действительно, продуктами распада нейтрона являются протон и электрон (и, как полагают, ещё антинейтрино, масса которого пренебрежимо мала). Масса же свободного нейтрона, как полагают, больше массы свободного протона на 2.5 массы электрона . Выходит, что масса нейтрона на полторы массы электрона больше суммы масс стабильных продуктов своего распада. Тогда, по традиционной логике, нейтрон должен быть весьма нестабильным объектом. И если, для объяснения продолжительного существования нейтронов в атомных ядрах, можно допустить действие какого-нибудь стабилизирующего механизма, то свободный нейтрон обязан распадаться за время, сравнимое с характерными ядерными временами – т.е., по практическим меркам, мгновенно. Между тем, измерения среднего времени жизни нейтронов, вылетающих из атомных котлов, дают величину около 12 мин (см., например, ).

Нелепость данной ситуации может быть устранена лишь достаточно радикальным образом: например, мы обнаружим, что масса нейтрона была определена некорректно – или осознаем, как структура из пары элементарных частиц может удерживаться благодаря не дефекту масс, а, наоборот, приросту. В данной статье мы излагаем представления, в которых реализовались обе названные возможности. Согласно этим представлениям, масса нейтрона превышает сумму масс протона и электрона на половину массы электрона, т.е. масса нейтрона на одну массу электрона меньше принятого значения. При этом компоненты, связанные в нейтроне, удерживаются благодаря описываемому ниже механизму, следствием работы которого является именно прирост масс, равный половине массы электрона.

Предлагаемый подход не только устраняет проблему «масса-стабильность нейтрона», но и проясняет, в частности, происхождение антипротонов, а также открывает перспективы для построения простой универсальной модели ядерных сил.

Ненадёжность принятого значения массы нейтрона.

Фундаментальным методом нахождения масс микрочастиц является измерение их удельного заряда, т.е. отношения заряда к массе, с помощью масс-спектрометров (см., например, ). Масса нейтральной частицы не может быть найдена таким способом.

Открыватель нейтрона Чедвик устранил проблемы с законами сохранения энергии-импульса для случая проникающего излучения, возникающего при бомбардировке бериллия a -частицами – допустив, что это излучение является не высокоэнергичными g -квантами, как полагали ранее, а потоком нейтральных частиц с массами, близкими к массе протона (см., например, ). Это допущение Чедвик подкрепил расчётом, основанном на сопоставлении максимальных скоростей отдачи, сообщаемых атомам водорода и азота нейтронами при лобовом столкновении. Этот расчёт дал для нейтрона массу 1.15 (значения масс мы приводим в единицах использовавшейся до 1961 г. кислородной шкалы – по отношению к О 16). Значительное превышение этой величиной массы протона, 1.00768 (при массе электрона в 0.00055), было связано, как полагают, со значительными, 10-процентными, погрешностями измерения скоростей отдачи; этот первый результат Чедвика говорил лишь о том, что массы нейтрона и протона близки друг к другу .

Более точные вычисления массы нейтрона выполнялись через энергиетические балансы ядерных реакций. Так, Чедвик проанализировал реакцию испускания нейтронов бором при его бомбардировке a -частицами:

B 11 + He 4 ® N 14 + n 1 .

При этом в энергетический баланс были включены массы всех четырёх участников, а также кинетические энергии a -частицы, атома азота и нейтрона – результирующая масса нейтрона составила 1.0067 , что меньше (!) массы протона. Ещё меньшее значение, 1.0063, получили авторы , на основе анализа реакции распада на a -частицы ядер лития при бомбардировке их дейтронами:

Li 7 + H 2 ® 2He 4 + n 1 .

Максимальное же значение массы нейтрона, полученное через энергетические балансы, составило, судя по сводке результатов в , 1.0090, причём доверительные интервалы у минимального и максимального значений далеко не перекрывались. Это было обусловлено, на наш взгляд, двумя методологическими ошибками. Во-первых, в энергетический баланс включались как массы частиц, так и их кинетические энергии. На наш взгляд, такой подход некорректен, поскольку кинетическая энергия не является «довеском» к массе: согласно принципу автономных превращений энергии , наличие у частицы кинетической энергии означает, что её масса уменьшена на эквивалентную величину. Учёт же кинетической энергии прибавлением её к массе частицы являлся, на наш взгляд, одной из главных причин систематических расхождений между значениями масс изотопов, полученными в масс-спектроскопии и через балансы энергии ядерных превращений . Во-вторых, не принималось в расчёт, что промежуточное или конечное ядро могло при своём формировании оказаться в возбуждённом состоянии и, соответственно, излучить g -квант – тогда энергетический баланс был бы неполным, поскольку использовавшиеся значения масс элементов были получены для основных состояний их ядер.

Оба этих источника ошибок отсутствуют в способе нахождения массы нейтрона через измерение энергии связи дейтрона – при известных массах атома водорода и дейтерия (1.0078 и 2.0136 соответственно ). Об энергии связи здесь можно судить, зная энергию g -кванта, вызывающего фотораспад дейтрона. Чедвик и Голдхабер использовали излучение с энергией 2.62 МэВ, заведомо превышающей искомую энергию связи. Считалось, что разность между энергией g -кванта и энергией связи полностью превращалась в кинетические энергии освобождаемых протона и нейтрона – причём, из-за близости масс протона и нейтрона, эти энергии считались одинаковыми. Таким образом, требовалось измерить лишь энергию, например, протона распада – что делалось с помощью ионизационной камеры. При найденном значении этой энергии примерно в 250 кэВ, результирующая величина массы нейтрона составила 1.0080± 0.0005 . О таком же значении сообщили Изинг и Хелде , использовавшие ту же методику. Но и здесь не обошлось без разброса результатов: несколько позднее Чедвик, Физер и Бретчер опубликовали значение 1.0090 .

Едва ли можно сомневаться в том, что этот разброс результатов был обусловлен, в основном, несовершенством такого измерительного прибора, как ионизационная камера. Но, для единства измерений и вычислений в ядерной физике, требовалось уменьшить неопределённость в значении массы нейтрона. Своеобразие ситуации заключалось в том, что, для уменьшения этой неопределённости, можно было приписать нейтрону любое значение массы, не выходившее за пределы имевшегося на то время разброса в пару масс электрона. При небольшой ошибке приписанной нейтрону массы, энергии связи ядер тоже были бы известны с соответствующими небольшими ошибками – но зато единообразно. В этом, по-видимому, и заключалась причина того, что уменьшение неопределённости массы нейтрона было осуществлено не через увеличение точности измерений, а, фактически, волевым актом, выполненным теоретиком Бете . Он сделал расчёт массы нейтрона на основе самых достоверных, с его точки зрения, параметров и переводных коэффициентов, и привёл анализ погрешностей – однако, не пояснил, отчего разброс результатов измерений по одной и той же методике, выполненных на различных установках, на порядок превышал вычисленный им доверительный интервал. Но поскольку предложенное Бете значение, 1.00893± 0.00005 , обеспечивало единство измерений и вычислений на многие годы вперёд, его-то и включили в справочные издания (см., например, ) – а впоследствии, при переходе на углеродную шкалу атомных весов , внесли в него соответствующую поправку.

Следует добавить, что, после принятия значения Бете, неоднократно сообщалось о согласующихся с ним результатах новых измерений энергии связи дейтрона, дававших значения около 2.22 МэВ. Эти результаты принимались некритично – а ведь там имелись основания для сомнений.

Так, Хэнсон расщеплял дейтерий g -квантами либо из ториевого источника (2.623 МэВ), либо – из лантанового (2.3 МэВ). Некоторые из нейтронов распада, выйдя из ёмкости с дейтерием и пройдя сквозь свинцовую защиту, попадали в пропорциональный счётчик; там нейтрон мог передать свою энергию протону наполнителя – и счётчик генерировал электрический импульс с соответствующей амплитудой. Считалось, что максимальная измеренная энергия протона равна энергии нейтрона распада, и что вычитание её удвоенного значения из энергии исходного g -кванта давало искомую энергию связи дейтерия. Но, обратите внимание: указав, что «на большей части измерений, наполнителем счётчика был водород или дейтерий», автор далее не уточнял, с каким конкретно из этих наполнителей он получал свои результаты. А ведь они должны были различаться: если, в случае наполнителя-водорода, нейтрон распада передавал энергию действительно протону, то, в случае наполнителя-дейтерия, нейтрон передавал энергию дейтрону, масса которого вдвое больше массы протона. Во втором случае энергия, которую детектировал бы пропорциональный счётчик, составляла бы не более 8/9 от энергии нейтрона распада – и это при абсолютно упругом столкновении нейтрона с дейтроном. Но ведь не было гарантий, что эти столкновения были абсолютно упругими – часть энергии нейтрона могла превращаться в энергию возбуждения дейтрона, которую счётчик игнорировал бы. Вот почему результаты работы вызывают у нас недоверие – тем более что найденная энергия связи дейтрона составила 2.229 МэВ для случая ториевого источника и 1.998 для случая лантанового, так что вторую из этих цифр автор даже не внёс в итоговую таблицу.

Далее, классическими считаются эксперименты Белла и Эллиота , которые утверждали, что прямо измерили энергию g -квантов, излучаемых при соединении нейтрона и протона в дейтрон. Поток тепловых нейтронов из атомного реактора направлялся в парафиновую болванку, где происходил синтез дейтронов, т.е. реакция H 1 (n ,g )D 2 . Характеристическое g -излучение коллимировалось на лоскуток урановой фольги. Считалось, что g -квант выбивал из атома урана один из наиболее сильно связанных электронов – например, из К-оболочки – и что искомая энергия g -кванта равнялась сумме кинетической энергии выбитого электрона и его энергии связи в атоме урана. Измерения же кинетической энергии выбитых электронов делались с помощью двухкатушечного бета-спектрометра, причём эти измерения были не абсолютными, а относительными – через отношение к энергии таких же электронов, выбиваемых g -квантами с калиброванной энергией, 2.615 МэВ. Здесь у нас вызывает сомнения допущение о том, что g -квант с энергией в два с лишним МэВ способен воздействовать непосредственно на атомарный электрон. Можно допустить, что на такое непосредственное воздействие ещё способен квант, энергия которого не превышает суммы энергии связи электрона в атоме и предельной кинетической энергии освобождённого электрона, которая составляет, на наш взгляд, около 170 кэВ – но кванты с энергиями, большими этой суммы, должны воздействовать только на ядро . О верности именно такого подхода с очевидностью свидетельствует огромная ширина полученных в энергетических пиков для электронов, выбитых с К- и L -оболочек. При достаточно высоком разрешении бета-спектрометра, эта ширина (~ 60 кэВ) совершенно нетипична для атомных уровней энергии, но как раз типична для полных ширин ядерных линий . Это говорит о том, что бета-спектрометром измерялась энергия конверсионных электронов. Т.е., g -квант – как измеряемый, так и калибровочный – поглощался ядром урана, возбуждение которого снималось, например, через каскадное излучение вторичных g -квантов, лишь один из которых выбивал конверсионный электрон. При этом не было гарантий, что такое выбивание, в случаях измеряемого и калибровочного квантов, происходило в результате излучательных ядерных переходов на один и тот же уровень . И тогда, относительные измерения бета-спектрометром не могли дать информацию об истинном значении энергии измеряемого кванта – а, значит, и об энергии связи дейтрона.

Далее, упомянем работу Мобли и Лаубенстейна , которые утверждали, что измерили пороговую энергию фоторасщепления дейтрона. Необходимое для этого излучение, как считалось, имело тормозной характер, возникая в результате взаимодействия высокоэнергичного пучка электронов с золотой мишенью. Рождавшиеся, якобы, при этом рентгеновские кванты – с энергиями вплоть до двух с лишним МэВ – попадали в ёмкость с тяжёлой водой. Нейтроны, освобождаемые там, якобы, при фотораспаде дейтерия, могли преодолеть свинцовую защиту и попасть в пропорциональный счётчик, который использовался не как измеритель энергии нейтронов, а просто как их детектор. Об энергии связи дейтрона судили по энергии электронов пучка (~ 2.23 МэВ), при которой начинался рост числа нейтронов, детектируемых счётчиком. Как можно видеть, у авторов имеется несколько весьма спорных допущений. Если электрон может иметь энергию в несколько МэВ, то почему было не найти пороговую энергию распада дейтрона, обойдясь без генерации тормозного излучения – используя электронный удар? Дело, оказывается, в том, что электроны не инициируют ядерных реакций . Эту загадочную особенность мы объясняем тем , что кинетическая энергия электрона не может превышать трети его массы покоя, т.е. примерно 170 кэВ – значит, энергия электрона всегда меньше самых низких порогов ядерных реакций. Весьма курьёзно, что авторы выполнили калибровку энергии первичных частиц с протонным пучком – по известному порогу (1.882 МэВ) реакции Li 7 (p ,n ) – а измерения проводили с электронным пучком, полагая, что одинаковое ускоряющее напряжение сообщает одинаковую энергию как протону, так и электрону. На наш взгляд, в данном случае это неверно: иметь энергию в несколько МэВ протон может, а электрон – нет . И тогда в работе электроны никак не могли генерировать тормозные фотоны с энергиями в два с лишним МэВ – а, значит, и порог фотораспада дейтрона не мог быть измерен.

Суммируя вышеизложенное, мы не усматриваем надёжных экспериментальных свидетельств о том, что масса нейтрона больше массы протона именно на 2.5 массы электрона. Действительная разность масс нейтрона и протона вполне может составлять 1.5 массы электрона – как это следует из излагаемых ниже представлений.

Квантовые пульсации и связь «на дефекте масс».

Наши представления о нуклонах являются следствием концепции, согласно которой вещество на фундаментальном уровне имеет «цифровую», а не «аналоговую» природу. Эта «цифровая» природа свидетельствует, на наш взгляд, о том, что существуют специальные программные предписания, которые формируют элементарные частицы в физическом мире и задают их физические свойства, включая всевозможные варианты взаимодействий, в которых они могут участвовать.

Базовым понятием этой концепции является понятие квантового пульсатора , физической реализацией которого является, например, электрон. Напомним, что квантовый пульсатор – это истинно элементарная частица вещества, которая характеризуется циклической сменой всего двух состояний. Собственная частота f свободного квантового пульсатора, его же собственная энергия E и его масса m связаны соотношением де Бройля : E =hf =mc 2 , где h – постоянная Планка, c – скорость света. Как можно видеть, частота квантовых пульсаций электрона составляет около 1.24× 10 20 Гц. Эту частоту мы называем электронной: наличие у частицы пульсаций на электронной частоте означает наличие у неё электрического заряда; знак же заряда определяется фазой пульсаций – разноимённые заряды пульсируют в противофазе . Временную развёртку квантовых пульсаций можно проиллюстрировать меандром, т.е. прямоугольной волной; следует лишь иметь в виду, что амплитуда этой волны не имеет физического смысла – это подчёркивается тем, что энергия квантовых пульсаций зависит только от их частоты.

Квантовые пульсации могут быть промодулированы по «амплитуде» - со стопроцентной глубиной. Такая модуляция означает, фактически, циклическое прерывание квантовых пульсаций, т.е. их циклическое «включение-выключение». Как отмечалось ранее , энергия модулированных квантовых пульсаций меньше, чем немодулированных, и равна h (f -W ), где W - частота модуляции; соответственно, меньше и масса частицы.

Как мы полагаем, атомные структуры формируются благодаря противофазным прерываниям электронных пульсаций у атомарного электрона и у соответствующего ему положительного заряда ядерного протона. Такие прерывания двух пульсаторов порождают специфическую форму движения: циклические перебросы состояния, при котором пульсации «включены» – из точки нахождения одного пульсатора в точку нахождения другого, и обратно. Эта форма движения обладает некоторой энергией, зависящей от расстояния, на которое производятся циклические перебросы состояния. Если эта энергия появляется именно за счёт убыли собственной энергии пульсаторов, обусловленной их прерываниями, то эти два пульсатора вынуждены находиться на вполне определённом расстоянии друг от друга – в этом, как мы полагаем, и заключается природа связи «на дефекте масс» .

Такой подход выглядит предпочтительнее подхода официальной физики, в которой объяснение дефекта масс до сих пор отсутствует – что обусловлено, на наш взгляд, необоснованным допущением универсальности эйнштейновского выражения E =mc 2 . Действительно, считается, что это выражение справедливо для любой формы энергии. Но тогда, в случае с энергией связи «на дефекте масс», выходит казус. Если эта энергия связи, как казалось бы, положительна, то должен иметь место не дефект масс, а, наоборот, прирост. Если же она отрицательна, то и эквивалентная ей масса должна быть отрицательна – но, насколько нам известно, масса является принципиально положительной величиной. Разгадка, на наш взгляд, весьма проста: массе эквивалентна не любая форма энергии, а одна-единственная: собственная энергия квантового пульсатора . Потому и обнаруживается «дефект масс», что энергия связи, которая массе не эквивалентна, появляется за счёт убыли собственной энергии связуемых квантовых пульсаторов.

Нейтрон: связь «на приросте масс».

Протон, на наш взгляд, является квантовым пульсатором, имеющим модуляцию с электронной частотой и фазой положительного заряда; несущую же частоту протона можно определить из того условия, что масса протона соответствует частоте, равной разности несущей и электронной частот – при этом несущая составляет около 2.27× 10 23 Гц. Заметим, что масса протона меньше массы, соответствующей несущей, не из-за «дефекта масс». В протоне нет никаких суб-частиц: нельзя сказать, что он является соединением, например, массивного керна и позитрона. Названное уменьшение массы обусловлено всего лишь прерываниями несущей с электронной частотой – положительный заряд оказывается не присоединён, а как бы «вшит» через модуляцию.

Нейтрон же, на наш взгляд – это именно соединение, но такое соединение, состав участников которого циклически обновляется: пара «протон плюс электрон» принудительно сменяется парой «позитрон плюс антипротон», и обратно. Диаграмма иллюстрирует фазировки у двух «дорожек» результирующих квантовых пульсаций. Огибающая одной из этих дорожек задаёт положительный электрический заряд, а огибающая другой – отрицательный; высокочастотное же заполнение (несущая) перебрасывается из одной огибающей в другую – с частотой, вдвое меньшей электронной. На тех периодах электронной частоты, когда несущая находится в «положительной дорожке», составляющей нейтрон парой являются протон и электрон, а на тех периодах, когда несущая находится в «отрицательной дорожке» - позитрон и антипротон.

Как можно видеть, перебросы несущей из одной огибающей в другую – это циклическая смена состояний, которая обладает определённой энергией. Заметим, что эта энергия появляется не за счёт уменьшения собственных энергий участников процесса: она

добавляется к их собственным энергиям – отчего результирующая масса системы должна увеличиться на соответствующую величину. По логике концепции квантовых пульсаций, энергия циклических смен двух состояний равна произведению постоянной Планка на частоту этих смен. Поскольку, в рассматриваемом случае, эта частота вдвое меньше электронной, то результирующий прирост массы, по сравнению с суммой масс протона и электрона, должен составлять половину массы электрона. Теперь заметим, что энергия циклических смен пар, составляющих нейтрон, и энергия циклических пространственных перебросов несущей между «положительным» и «отрицательным» пульсаторами – это одна и та же энергия. А поскольку энергия циклических пространственных перебросов зависит от расстояния, на которое они производятся, то два пульсатора, составляющие нейтрон, обязаны находиться на определённом расстоянии друг от друга. Таким образом мы и объясняем природу связи «на приросте масс», благодаря которой существуют нейтроны. Используя формулы статьи , можно оценить расстояние, которое должно разделять центры двух пульсаторов в нейтроне: оно составляет ~ 2.8× 10 -15 м.

Как можно видеть, в нейтроне всегда присутствуют единичные разноимённые заряды, которые компенсируют друг друга – потому нейтрон электрически нейтрален. Вместе с тем, эти заряды образуют электрический диполь, у которого дипольный момент циклически инвертируется. Этим, на наш взгляд, и объясняется загадочная способность нейтрона к слабому участию в электромагнитных взаимодействиях – отчего наблюдается, например. пространственная селекция летящих нейтронов в сильных неоднородных электрических и магнитных полях.

Подчеркнём, что связь «на приросте масс» имеет принципиальное отличие от связи «на дефекте масс»: свободный нейтрон нельзя расщепить на составляющие с помощью, например, g -кванта – нейтрон не может его поглотить, т.к. нейтрону «некуда» возбуждаться. Вместе с тем, энергия связи в нейтроне должна быть превращаема в другие формы энергии – согласно закону сохранения энергии. Поэтому, при распаде свободного нейтрона, энергия связи в нём должна превращаться, на наш взгляд, в энергию g -излучения – но никак не в энергию антинейтрино (напомним, что гипотеза о нейтрино понадобилась, чтобы спасти закон сохранения релятивистского импульса, который с очевидностью нарушался при бета-распаде ). Что же касается причины распада свободного нейтрона, то она остаётся непонятна, поскольку, по логике вышеизложенного, даже при «приросте масс» нейтрон должен быть вполне стабильным объектом. Возможно, разгадка этой проблемы связана с тем, что вывод о нестабильности свободного нейтрона был сделан на основе экспериментов лишь с нейтронами, вылетающими из атомных котлов – нельзя исключить, что такие нейтроны, освобождаемые при распадах тяжёлых ядер, имеют какую-то особенность.

Небольшое обсуждение.

Вышеизложенные представления о нейтроне позволяют нам предложить более простые – и, на наш взгляд, более реалистичные – интерпретации некоторых ключевых экспериментов в физике элементарных частиц.

Так, согласно традиционным представлениям, ядра природных изотопов состоят из протонов и нейтронов – и, в частности, там нет и не может быть антипротонов. Считается, что антипротон может родиться при достаточно высокой энергии столкновения частиц – причём, родиться в паре с протоном, чтобы были соблюдены законы сохранения . Полагают, что именно такие рождения пар протон-антипротон происходили в эксперименте открывателей антипротона , которые направляли высокоэнергичные протоны на медную мишень и, среди продуктов реакции, регистрировали частицы, имевшие массу протона и отрицательный электрический заряд. Этот эксперимент считается также блестящим подтверждением специальной теории относительности, поскольку пара протон-антипротон рождалась, якобы, за счёт кинетической энергии исходного протона.

Но, на наш взгляд, о «блестящем подтверждении» здесь говорить не приходится. Ведь если верны вышеизложенные представления, то, в течение половины времени существования нейтрона, в его состав входит антипротон. Тогда проще допустить, что антипротоны не рождались, а выбивались из ядер мишени – при расщеплении ядерного нейтрона на антипротон и позитрон в результате воздействия, произошедшего на соответствующем полупериоде циклических превращений в нейтроне. При этом, конечно, ядро должно было превращаться в другой изотоп – а, по ортодоксальной версии, оно должно было оставаться прежним. Соответствующего анализа не проводилось, и данные о том, изменялось ядро или нет, отсутствуют. Поэтому нельзя считать доказанным, что антипротон рождался за счёт кинетической энергии исходного протона; версия же с выбиванием антипротона из ядра выглядит, на наш взгляд, гораздо правдоподобнее.

Добавим, что аналогично тому как протон и антипротон отличаются друг от друга тем, что имеют противоположные фазы прерывания несущей, нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга тем, что имеют противоположные фазы циклических превращений пар, входящих в их состав. Впрочем, в отличие от случая фиксированной фазы прерываний, задающей положительный или отрицательный электрический заряд, фаза циклических превращений пар в нейтроне не обязана быть фиксированной и может «плавать» – поэтому разница между понятиями «нейтрон» и «антинейтрон» является, на наш взгляд, весьма условной.

Заключение.

Поскольку у составных атомных ядер всегда имеется дефект масс, то значения массы нейтрона и энергии связи ядер оказываются взаимозависимы: если мы осознаем, что следует уменьшить значение массы нейтрона, то – при тех же самых значениях масс изотопов – придётся соответствующим образом уменьшить и значения энергии связи ядер. При уменьшении значения массы нейтрона на одну массу электрона, соответствующее уменьшение энергии связи на нуклон было бы особенно значительно для лёгких ядер, достигая у дейтрона 23%. Но для средних и тяжёлых ядер это уменьшение не превысило бы 4% - и здесь зависимость энергии связи на нуклон от атомного номера почти не изменила бы свой вид.

Впрочем, не коррекция энергий связи ядер была главной целью данной статьи. Как мы полагаем, неадекватность традиционных представлений о нейтроне является одной из главных причин того, что до сих пор не было предложено простой универсальной модели ядерных сил. А вышеизложенные представления открывают перспективы для построения такой модели; эту тему мы намереваемся обсудить в другой статье.

1. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. В 2-х томах. Т.1, «Физика атомного ядра». М., «Атомиздат», 1974.

2. Экспериментальная ядерная физика. Под ред. Э.Сегре. В 3-х томах. Т.1. М., «Изд-во иностранной литературы», 1955.

3. Д.Д.Странатан. «Частицы» в современной физике. М.-Л., «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», 1949.

4. C.C.Lauritsen, H.R.Crane. Phys.Rev., 45 (1934) 550.

5. А.А.Гришаев. Автономные превращения энергии квантовых пульсаторов – фундамент закона сохранения энергии. – Доступна на данном сайте.

6. H.Bethe. Phys.Rev., 47 (1935) 633.

7. J.Chadwick, M.Goldhaber. Nature, 134 (1934) 237.

8. G.Ising, M.Helde. Nature, 137 (1936) 273.

9. H.A.Bethe. Phys.Rev., 53 (1938) 313.

10. В.А.Кравцов. Массы атомов и энергии связи ядер. М., «Атомиздат», 1974.

11. A.O.Hanson. Phys.Rev., 75 (1949) 1794.

12. R.E.Bell, L.G.Elliott. Phys.Rev., 79 (1950) 282.

13. Э.В.Ланько, Г.С.Домбровская, Ю.К.Шубный. Вероятности электромагнитных переходов атомных ядер. «Наука», Л., 1972.

14. R.C.Mobley, R.A.Laubenstein. Phys.Rev., 80 (1950) 309.

15. Г.Кноп, В.Пауль. Взаимодействие электронов и a -частиц с веществом. В кн.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, т.1. Пер. с англ. под ред. К.Зигбана. М., «Атомиздат», 1969.

16. А.А.Гришаев. Масса, как мера собственной энергии квантовых осцилляторов. – Доступна на данном сайте. nevessky _ o _ zakone .

18. А.А.Гришаев. Разноимённые электрические заряды, как противофазные квантовые пульсации. – Доступна на данном сайте.

19. Л.Кёртис. Введение в нейтронную физику. «Атомиздат», М.. 1965.

20. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. В 2-х томах. Т.2, «Физика элементарных частиц». М ., « Атомиздат », 1974.

21. O.Chamberlain, E.Segre, C.Wiegand, T.Ypsilantis. Phys.Rev., 100 (1955) 947.

БЕТА-РАСПАД НЕЙТРОНА, превращение свободного нейтрона n в протон р, электрон е и электронное антинейтрино v? e , вызываемое слабым взаимодействием: n → р + е - + v? e . Энергия, высвобождаемая в этом процессе, составляет 783 кэВ; она распределяется в основном между разлетающимися в разные стороны электроном и антинейтрино, а протон уносит от 0 до 751 эВ.

Первые опыты, в которых обнаружено существование бета-распада нейтрона и получены первые оценки времени жизни нейтрона (т. е. времени, в течение которого число нейтронов убывает в е раз), были сделаны А. Снеллом (США), Г. Робсоном (Канада) и П.Е. Спиваком (СССР) в конце 1940-х годов, когда появились ядерные реакторы с интенсивными потоками нейтронов. В этих опытах измерялось число протонов или электронов, вылетающих из выделенной области нейтронного пучка, и число нейтронов в этой области. С тех пор изучение бета-распада нейтрона - процесса, в котором свойства слабого взаимодействия проявляются практически в чистом виде, - интенсивно продолжается.

Современная теория элементарных частиц (так называемая стандартная модель) рассматривает этот процесс как результат превращения одного из двух d-кварков, входящих в состав нейтрона и обладающих отрицательным зарядом, равным 1/3 заряда электрона, в и-кварк с зарядом + 2/3 заряда электрона. При этом возникает частица - переносчик слабого взаимодействия - векторный W - -бозон, который практически мгновенно распадается на электрон и антинейтрино. Т.о., схема процесса распада такая:

Основными величинами, определяющими бета-распад нейтрона, являются время жизни нейтрона τ n и четыре константы (угловые корреляции), характеризующие зависимости вероятности распада от:

1) угла ме-жду направлениями вылета электрона и антинейтрино с импульсами р с и р v ? e ,

2) угла между р е и спином нейтрона σ n

3) угла между р v ? e и σ n и

4) угла между нормалью к плоскости распада и σ n .

Вторая и третья угловые корреляции нарушают незыблемый в классической физике закон сохранения пространственной чётности (независимость законов природы от зеркального отражения координат), а последняя, если бы была обнаружена, означала бы нарушение инвариантности законов при обращении времени.

К началу 21 века осуществлено более 25 измерений времени жизни нейтрона различными методами. В результате установлено, что среднее время жизни нейтрона τ n = 885,7 ±0,7 с. Наиболее точные значения τ n были получены методом хранения ультрахолодных нейтронов, которые могут долго находиться в замкнутых объёмах, ограниченных слабо поглощающими стенками или специальными конфигурациями магнитного поля. При этом непосредственно измерялось убывание числа ультрахолодных нейтронов со временем.

Результаты измерений констант угловых корреляций на современном уровне точности эксперимента не противоречат теории. Тем не менее, попытки обнаружить какие-либо эффекты, которые свидетельствовали бы о необходимости выхода за пределы стандартной модели, продолжаются.

Дальнейшее уточнение времени жизни нейтрона и констант угловых корреляций важно также для астрофизики и космологии: эти данные используются в теории эволюции Вселенной после Большого взрыва и в описании процессов, идущих внутри звёзд и определяющих их энергетику.

Лит.: Ерозолимский Б. Г. Бета-распад свободного нейтрона // Современные методы ядерной спектроскопии. 1986. Л., 1988; Александров Ю. А. Фундаментальные свойства нейтрона. 3-е изд. М., 1992.

Б. Г. Ерозолимский.

Основные формулы и определения

● В физике известны четыре вида фундаментальных взаимодействий тел:

1) Сильное , или ядерное , взаимодействие обусловливает связь между нуклонами атомного ядра. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра;

2) Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, имеющими электрический заряд. Оно осуществляется путем обмена квантами электромагнитного излучения – фотонами ;

3) Слабое взаимодействие осуществляется между элементарными частицами, оно ответственно за их распад и обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино;

4) Гравитационное взаимодействие существует между любыми телами и выражается в их взаимном притяжении с силой, зависящей от масс тел и расстояния между ними.

● Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Протон (p ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, нейтрон (n ) – нейтральная частица. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом

Атомное ядро характеризуется зарядовым числом Z , которое равно числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Менделеева. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: A Z X , где X – символ химического элемента; Z – атомный номер (число протонов в ядре); А – массовое число (число нуклонов в ядре). В ядерных реакциях сохраняются общее число нуклонов и электрический заряд.

● Притяжение между нуклонами называется сильным (или ядерным) взаимодействием. Сильное взаимодействие является короткодействующим (~10–15 м). Одновременно между протонами, имеющими положительный заряд, действуют кулоновские силы отталкивания, т. е. электромагнитные силы, которые являются дальнодействующими. При нарушении баланса между количеством протонов и нейтронов ядра становятся нестабильными. Для легких

и средних ядер характерен бета-распад, для тяжелых – альфа-распад. При заряде ядра Z >

● При радиоактивном распаде испускается излучение трёх видов:

α-излучение – поток ядер атомов гелия (4 2 Не);

β -излучение – поток электронов (–1 0 e);

γ-излучение – поток квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное.

При единичном α-распаде массовое число А изотопа уменьшается на 4, а зарядовое число Z уменьшается на 2. При единичном β – -распаде массовое

число А не изменяется, а зарядовое число Z увеличивается на 1. При γ- излучении массовое число А и зарядовое число Z не изменяются.

● Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

3. u , d , s , c , b , t – и соответствующих им шести антикварков. Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд.

Укажите квантовую схему, соответствующую гравитационному взаимодействию.

Варианты ответов:

В физике известно четыре вида фундаментальных взаимодействий тел. Рассмотрим их по мере уменьшения интенсивности.

Сильное , или ядерное , взаимодействие обусловливает связь между нуклонами атомного ядра. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны – электрически нейтральные частицы со спином, равным единице, и с нулевой массой покоя.

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, имеющими электрический заряд. Оно осуществляется путем обмена квантами электромагнитного излучения – фотонами .

Слабое взаимодействие осуществляется между элементарными частицами, оно ответственно за их распад, например, распад нейтронов и приводит, в частности, к бета-распаду атомных ядер. Переносчиками слабых

взаимодействий являются кванты слабого поля – промежуточные бозоны W + , W

– , Z 0.

Гравитационное взаимодействие существует между любыми телами и выражается в их взаимном притяжении с силой, зависящей от масс тел и расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие осуществляется благодаря обмену гравитонами . Теоретическое понятие «гравитон» – это квант гравитационного поля.

Ответу на вопрос теста 8-1 соответствует рисунок варианта 4. Ответ : вариант 4.

Задание С8-1 для самостоятельного решения

Электрослабое взаимодействие соответствует объединению схем…

Варианты ответов:

В процессе электромагнитного взаимодействия принимают участие…

Варианты ответов:

1) нейтрино; 2) нейтроны; 3) фотоны.

Фотоны являются квантами электромагнитного излучения, поэтому они принимают участие в процессе электромагнитного взаимодействия.

Ответ : вариант 3.

Задание С8-2 для самостоятельного решения

В процессе сильного взаимодействия принимают участие...

Варианты ответов:

1) электроны; 2) нуклоны; 3) фотоны.

Задание С8-3 для самостоятельного решения

Распад нейтрона объясняется существованием...

Варианты ответов:

1) слабого взаимодействия; 2) сильного взаимодействия;

3) электромагнитного взаимодействия.

Задание С8-4 для самостоятельного решения

В процессе гравитационного взаимодействия принимают участие...

Варианты ответов:

1) только нуклоны; 2) все элементарные частицы;

3) только частицы, имеющие нулевую массу покоя.

Задание С8-5 для самостоятельного решения

В процессе сильного взаимодействии не принимают участия...

Варианты ответов:

1) фотоны; 2) протоны; 3) нейтроны.

α-излучение представляет собой поток...

Варианты ответов:

1) квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное;

2) электронов; 3) протонов; 4) ядер атомов гелия; 5) позитронов.

При радиоактивном распаде испускается излучение трёх видов:

α-излучение – поток ядер атомов гелия;

Излучение – поток электронов;

γ-поток квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное.

Таким образом, α-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия. Ответ : вариант 4.

Задание С8-6 для самостоятельного решения

β + -излучение – это поток… См. варианты ответов к тесту 8-3.

Задание С8-7 для самостоятельного решения

β – -излучение – это поток… См. варианты ответов к тесту 8-3.

На рис. 138 показана область существования β -активных ядер. Прямая линия соответствует равновесным значениям Z β , соответствующим β -ста-

Рис. 138

бильным ядрам. Здесь Z – порядковый номер элемента, а N – число нейтронов в ядре. В области Z < Z β …

Варианты ответов:

1) β – -активны;

2) β – -активны;

3) Ядра обладают избытком нейтронов и β + -активны;

4) Ядра обладают избытком протонов и β + -активны.

Ядра атомов состоят из нуклонов (общее название протонов и нейтронов). Притяжение между нуклонами называется сильным (или ядерным) взаимодействием.

Сильное взаимодействие является короткодействующим (~10–15 м). Одновременно между протонами, имеющими положительный заряд, действуют кулоновские силы отталкивания, т. е. электромагнитные силы, которые являются дальнодействующими. При нарушении баланса между количеством протонов и нейтронов ядра становятся нестабильными. Для легких и средних ядер характерен β -распад, для тяжелых – α-распад. При заряде ядра Z > 82 стабильных ядер не существует.

На рис. 138 область Z > Z β выше прямой линии, соответствующей равновесным значениям Z β , содержит ядра, в которых число протонов

преобладает над числом нейтронов. У этих ядер силы отталкивания между протонами превышают ядерные силы притяжения и ядра распадаются с испусканием позитрона β + . При этом число протонов уменьшается, а число нейтронов растет.

В области Z < Z β ниже прямой стабильности ядер число нейтронов превышает число протонов, и ядра распадаются с испусканием электрона β – .

Таким образом, в области Z < Z β ядра обладают избытком нейтронов и β – - активны, что соответствует варианту 2.

Ответ : вариант 2.

Задание С8-8 для самостоятельного решения

Для изотопов различных элементов определите β -активность и избыток соответствующих нуклонов, если распад изотопов различных элементов происходит согласно реакции:

11 6 С → β + + 11 5 В; ядра изотопа углерода 11 6 С обладают…

Варианты ответов те же, что в тесте 8-4.

Задание С8-9 для самостоятельного решения

14 6 С → β – + 14 7 N; ядра изотопа углерода 14 6 С обладают…

Варианты ответов те же, что в тесте 8-4.

Задание С8-10 для самостоятельного решения

13 7 N → β + + 13 6 С; ядра изотопа азота 13 7 N обладают…

Варианты ответов те же, что в тесте 8-4.

Задание С8-11 для самостоятельного решения

40 19 К → β – + 40 20 Са; ядра изотопа калия 40 19 К обладают…

Варианты ответов те же, что в тесте 8-4.

На рис. 139 показана кварковая диаграмма β – -распада нуклона.

Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

1. Фотоны – эта группа состоит всего из одной частицы – кванта электромагнитного излучения, обозначаемого буквой γ.

2. Лептоны (от греческого слова «лептос» – легкий). К лептонам

относятся, например, такие частицы, как электрон е – , имеющий заряд Q е = –1 и спин s е = 1/2, а также нейтральная частица нейтрино ν, имеющая нулевой заряд

и спин s ν = 1/2. Этим частицам соответствуют античастицы: позитрон е + и антинейтрино νR.

3. Адроны (от греческого слова «адрос» – крупный, сильный). К адронам относятся р – протон, п – нейтрон, Λ – гиперон, π – пионы и К – каоны. Частицы, входящие в группу адронов, состоят из кварков. В настоящее время установлено существование шести разновидностей кварков: u , d , s , c , b , t – и

соответствующих им шести антикварков. Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд. Ниже приведено название кварков, их обозначение, в скобках указан дробный электрический заряд:

− Антикварки обозначаются буквой с волной и имеют противоположные по знаку электрические заряды. Из этих кварков и антикварков состоят все адроны.

Из кварковой диаграммы β -распада нуклона, приведенной на рис. 139, следует, что набор кварков (u d d ) в левой части диаграммы соответствует нейтрону (n ), так как его заряд, вычисленный, исходя из заряда кварков, Q n = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0. Набор кварков (d u u ) в правой части диаграммы, вычисленный, исходя из заряда кварков, соответствует протону (p ), так как его

Следовательно, кварковая диаграмма β -распада соответствует реакции: n → p +

е – + νRe .

Ответ : вариант 4.

Рассмотрим другой способ решения теста 8-5.

Проанализируем варианты ответов с точки зрения закона сохранения электрического заряда:

1) р → р + е – + νRe ; Q p = 1, Q е = –1, Q νR = 0, т. е. 1 = 1 – 1 + 0. Понятно, что для этой реакции закон сохранения заряда не выполняется, так как 1 ≠ 0.

Поэтому такая реакция невозможна;

2) р → n + е – + νRe ; Q p = 1, Q n = 0, Q е = –1, Q νR = 0, т. е. 1 = 0 – 1 + 0.

Понятно, что для этой реакции также не выполняется закон сохранения заряда;

3) n → n + е – + νRe ; Q n = 0, Q е = –1, Q νR = 0, т. е. 0 = 0 – 1 + 0. Реакция также невозможна;

4) n → p + е – + νRe . Закон сохранения заряда для этой реакции выполняется, так как 0 = 1 – 1 + 0. Поэтому такая реакция возможна.

Ответ : вариант 4.

На рис. 140 показана кварковая диаграмма распада Λ-гиперона.

Эта диаграмма соответствует реакции...

Варианты ответов:

1) Λº → n + π + ; 2) Λº → n + π – ; 3) Λº → p + π – ; 4) Λº → p + π º.

Элементарные частицы состоят из кварков. Вычислим заряд каждой частицы, участвующей в реакции. Для этого, воспользовавшись решением теста 8-5, запишем название и обозначения кварков, а в скобках укажем соответствующий заряд:

− Верхний u (+2/3) и нижний d (–1/3);

− Очарованный c (+2/3) и странный s (–1/3);

− Истинный t (+2/3) и красивый b (–1/3).

Антикварки обозначаются буквой с волной и имеют противоположные по знаку электрические заряды и некоторые другие характеристики.

Из кварковой диаграммы распада Λ-гиперона, приведенной на рис. 140, следует, что набор кварков (u d s ) в левой части диаграммы соответствует Λ- гиперону. Заряд гиперона, вычисленный исходя из заряда кварков, равен: Q Λ = 2/3 –

1/3 – 1/3 = 0.

Набор кварков (d u u ) в правой части диаграммы соответствует p -протону, т. к. его заряд Q p = –1/3 + 2/3 + 2/3 = 1. Набор кварков (d ũ ) соответствует частице с зарядом Q π = –1/3 – 2/3 = –1, т. е. π – -мезону. Таким образом, кварковая диаграмма распада Λ-гиперона соответствует реакции: Λº → p + π – .

Ответ : вариант 3.

Дополнительное задание

Проверьте самостоятельно, используя закон сохранения электрического заряда, выполнимость реакций, записанных в вариантах ответов в тесте 8-6, и выберите правильный ответ.

Задание С8-12 для самостоятельного решения

На рис. 141 показана кварковая диаграмма захвата нуклоном µ – -мюона.

Эта диаграмма соответствует реакции...

Задание С8-13 для самостоятельного решения

На рис. 142 показана кварковая диаграмма рождения странных частиц. Эта диаграмма соответствует реакции...

Варианты ответов:

Для нуклонов верными являются следующие утверждения:

Варианты ответов:

1) Оба нуклона нейтральны;

2) Масса протона больше массы нейтрона;

3) Спины нуклонов одинаковы;

4) Оба нуклона обладают отличными от нуля магнитными моментами.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Протон имеет массу m p = 1,00759 а.е.м., спин s p = 1/2, положительный электрический заряд, равный одному элементарному заряду Q P = e и магнитный момент µ p = +2,79µ Я , где µ Я = 5,0508 · 10–27 Дж/Тл – ядерный магнетон. Нейтрон имеет массу m n = 1,00879 а.е.м., спин s n = 1/2, электрический заряд, равный нулю, и магнитный момент µ n = –1,91 µ Я .

Следовательно, правильными ответами являются следующие утверждения:

3) спины нуклонов одинаковы;

4) оба нуклона обладают отличными от нуля магнитными моментами. Ответ : варианты 3 и 4.

Задание С8-16 для самостоятельного решения

Для нуклонов верными являются следующие утверждения.

Варианты ответов:

1) Оба нуклона в свободном состоянии стабильны. Массы протона и антипротона одинаковы;

2) Массы нуклонов одинаковы. Оба нуклона имеют античастицы;

3) Спины нуклонов и антинуклонов одинаковы. Заряды нейтрона и антинейтрона равны нулю;

4) Масса нейтрона больше массы антинейтрона. Магнитные моменты антинуклонов равны нулю.

Сколько α- и β – -распадов должно произойти, чтобы уран 238 92 U превратился в стабильный изотоп свинца 206 82 Pb ?

Варианты ответов:

2) 8 α-распадов и 6 β – -распадов; 4) 10 α-распадов и 4 β – -распада.

При распаде изотопа урана 238 92 U происходит ряд радиоактивных превращений. При этом испускаются α-частицы (ядра атома гелия 4 2 He ), β – -

частицы (электроны) и γ-лучи. Массовое число А и зарядовое число Z изменяются за счет α- и β – -распадов.

При единичном α-распаде массовое число А изотопа уменьшается на 4, а

зарядовое число Z уменьшается на 2. При единичном β – -распаде массовое число А не изменяется, а зарядовое число Z увеличивается на 1.

Тогда реакцию распада можно записать в виде:

238 92 U → X · 2 4 α + Y · –1 0 e + 206 82 Pb .

Общее число нуклонов и полный электрический заряд должны сохраняться. Тогда для определения числа распадов X и Y составим систему уравнений.

Для массового числа А : 238 = 4 · X + 206.

Отсюда: X = (238 – 206) / 4 = 8.

Для зарядового числа Z : 92 = 2 · X + (–1) · Y + 82.

Отсюда: Y = (82 – 92 + 2 · 8) = 6.

Следовательно, при превращении урана 238 92 U в стабильный изотоп свинца

206 82 Pb должно произойти 8 α-распадов и 6 β – -распадов. Ответ : вариант 2.

Задание С8-17 для самостоятельного решения

Сколько α- и β – -распадов должно произойти, чтобы торий 232 90 Th

Задание С8-18 для самостоятельного решения

Сколько α- и β – -распадов должно произойти, чтобы уран 235 92 U превратился

Неизвестный радиоактивный химический элемент самопроизвольно распадается по схеме: X → 36 91 Kr + 142 56 Ba + 3 n . Ядро этого элемента содержит…

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Протон (p ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, нейтрон (n ) – нейтральная частица. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом

Атомное ядро характеризуется зарядовым числом Z , которое равно числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Менделеева. Ядро обозначается тем же символом, что и

нейтральный атом: Z A X , где X – символ химического элемента; Z – атомный

номер (число протонов в ядре); А – массовое число (число нуклонов в ядре).

В ядерных реакциях сохраняются общее число нуклонов и электрический заряд. Заряд ядра неизвестного химического элемента равен суммарному заряду ядер элементов продуктов реакции: 36 + 56 = 92, поэтому число протонов в ядре неизвестного химического элемента равно: Z = 92. Аналогично массовое число неизвестного химического элемента равно: А = 91 + 142 + 3 = 236, а число нейтронов в ядре равно: А – Z = 236 – 92 = 144. Следовательно, ядро неизвестного химического элемента содержит 92 протона и 144 нейтрона.

Ответ : вариант 1.

Какая доля радиоактивных атомов распадется через интервал времени, равный двум периодам полураспада?

Варианты ответов:

1) 25 %; 2) 75 %; 3) все атомы распадутся; 4) 90 %; 5) 50 %.

Закон радиоактивного распада имеет вид: N = N 0 · e – λ·t , где N 0 – начальное число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t ; λ – постоянная радиоактивного распада. Эта формула показывает, что число нераспавшихся ядер со временем убывает. Периодом полураспада Т 1/2 называется время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда N 0 /2 = N 0 · e – λ · Т 1/2 . Откуда λ = ln2/Т 1/2 =

0,693/Т 1/2 .

N 0 . За время t 2 = 2Т 1/2 число нераспавшихся ядер равно:

Следовательно, через интервал времени, равный двум периодам полураспада, доля распавшихся радиоактивных атомов будет равна:

1 – N 2 /N 0 = 1 – 0,25 = 0,75 = 75 %.

Ответ : вариант 2.

Задание С8-19 для самостоятельного решения

Какая доля радиоактивных атомов не распадется через интервал времени, равный трём периодам полураспада?

Варианты ответов:

1) 25 %; 2) 75 %; 3) 6,25 %; 4) 12,5 %; 5) 50 %.

Задание С8-20 для самостоятельного решения

Какая доля свободных нейтронов распадется через 1 час, если период полураспада составляет 10 минут?

Варианты ответов:

1) 98,5 %; 2) 75,5 %; 3) 10,5 %; 4) 1,5 %.

Задание С8-21 для самостоятельного решения

Имеется смесь двух элементов: стабильного изотопа углерода 12 6 С в количестве 2 моля и радиоактивного 11 6 С в количестве 4 моля. Через интервал времени, равный периоду полураспада углерода 11 6 С , останется…

Варианты ответов:

Каким будет процентное содержание атомов через промежуток времени, равный периоду полураспада изотопа 11 6 С ?

Варианты ответов:

Реакция распада нейтрона происходит по схеме: п → р + е – + v ɶ . Присутствие в этой реакции антинейтрино обусловлено требованиями

закона сохранения...

Варианты ответов:

1) электрического заряда; 2) лептонного заряда; 3) энергии.

Закон сохранения электрического заряда не требует присутствия антинейтрино, т. к. это нейтральная частица и её наличие или отсутствие не влияет на суммарный заряд. Закон сохранения энергии также не требует

присутствия какой-то конкретной частицы, т. к. масса покоя нейтрона превышает суммарную массу покоя электрона и протона. Данной разности масс (∆m ≈ 1,5 m e ) соответствует определенная энергия, т. е. реакция распада свободного нейтрона энергетически разрешена. При распаде элементарных частиц должны также выполняться законы сохранения барионного и лептонного заряда.

Барионный заряд сохраняется: B n = 1, B p = 1, B e = 0, т. е. 1 = 1 + 0.

Для сохранения лептонного заряда (L n = 0, L p = 0, L e = 1) в результате

Реакция распада протона по схеме: р → е + + ν + v ɶ невозможна. Это является следствием невыполнения закона сохранения...

Варианты ответов:

1) лептонного заряда; 2) спинового момента импульса;

3) электрического заряда.

Протон является барионом (от греческого слова «барис» – тяжелый), а позитрон, нейтрино и антинейтрино являются лептонами (легкими элементарными частицами).

Приведём значения некоторых характеристик элементарных частиц.

Поверим выполнимость закона сохранения лептонного заряда: L p = 0, L е - =

1, L ν = 1, L νR = –1. Тогда получим: 0 = 1 + 1 – 1 = 1, т. е. лептонный заряд не сохраняется. Реакция невозможна вследствие невыполнения закона сохранения

лептонного заряда.

Ответ : вариант 1.

Задание С8-24 для самостоятельного решения

Реакция распада протона по схеме р → е + + ν + невозможна. Это является следствием невыполнения закона сохранения...

Варианты ответов:

1) спинового момента импульса; 2) электрического заряда;

3) барионного заряда.

Взаимодействие неизвестной частицы Х с протоном в водородной пузырьковой камере идет по схеме:

Λº → p + π –

X + p

Kº → π + + π –

Если спин π -мезона S = 0, то заряд и спин налетающей частицы будут равны...

Варианты ответов:

1) q < 0; S = ; 2) q > 0; S = ; 3) q > 0; S = 0; 4) q < 0; S = 0.

При взаимодействии неизвестной частицы X с протоном p , наряду с другими законами сохранения, должны выполняться законы сохранения заряда и момента импульса. Согласно закону сохранения заряда, суммарный заряд частиц должен быть равен суммарному заряду продуктов реакции после взаимодействия. После взаимодействия получаются две положительно заряженные частицы: q p = +1 и q π + = 1, а также две одинаковые отрицательно заряженные частицы с зарядом q π – = –1.

Варианты ответов:

1) S x = ; 2) S x = 1; 3) S x = 1.

Согласно закону сохранения спина, суммарный спин частиц до взаимодействия должен быть равен суммарному спину частиц после

взаимодействия: S P + S π – = S X + S π – + S π – +S π + .

Так как спин протона S p = 1 , а спин π -мезона равен нулю, то после

подстановки этих значений получим: 1 + 0 = S X + 0 + 0 + 0. Следовательно, спин

неизвестной частицы будет равен S X = 1 2

Ответ : вариант 1.

Задание С8-25 для самостоятельного решения

На рис. 146 показана фотография взаимодействия π -мезона с протоном в водородной пузырьковой камере, которое идет по схеме:

Kº → + π – + X

π– + p

Λº → p + π –

Если спин π -мезона S = 0, то спин частицы X будет...

Варианты ответов:

1) S x = 1 ; 2) S x = 1 ; 3) S x = 0 . 2

Экспериментально обнаружен новый тип распада нейтрона — радиационный бета-распад. Это открытие стало возможным благодаря развитию детекторов частиц низкой энергии.

Жизнь большинства известных на сегодня элементарных частиц ярка и быстротечна. Родившись в реакции столкновения протонов или электронов вместе с разнообразными собратьями, они успевают пролететь микроскопическое расстояние и тут же распадаются на другие частицы. Конечные состояния их распада (как говорят физики, каналы распада ) могут быть самые разнообразные; главное — чтобы не нарушились фундаментальные законы физики (законы сохранения заряда, энергии и т. д.). У некоторых частиц таких каналов распада известно уже более ста.

Лишь небольшое число частиц живет достаточно долго, чтобы вступить, скажем так, в непосредственный контакт с окружающим миром. За время своей жизни они успевают пролететь существенную дистанцию: сантиметры, метры, и совсем уж в редких случаях — километры, но и они, по человеческим меркам, распадаются очень быстро — за какие-то доли секунды.

И вот, после более чем полувековой истории изучения этой частицы, физики, похоже, смогли обнаружить второй тип распада нейтрона . В препринте российско-бельгийско-немецкой группы исследователей nucl-ex/0512001 сообщается об успешном наблюдении радиационного бета-распада нейтрона, т. е. его распада на протон, электрон, антинейтрино и фотон . Зарегистрировать такой распад удалось с помощью техники тройного совпадения: одновременного вылета электрона и фотона и измерения импульса отдачи, получаемого протоном.

Вообще говоря, для теоретиков это открытие не является сюрпризом. Известно, что во всех типах реакций с заряженными частицами (а протон и электрон электрически заряжены) могут вылетать и фотоны, «в нагрузку» к остальным частицам. Однако наблюдение этого распада в случае нейтрона оказалась очень сложной с технической точки зрения задачей. Ведь все вылетающие частицы имеют очень небольшие энергии, и поэтому их трудно «уловить» детекторами.

Предыдущая попытка той же самой группы в 2002 году найти этот распад окончилась неудачей: точности регистрирующей аппаратуры не хватало для его обнаружения. Сейчас же, после апгрейда детекторов и улучшения процедуры обработки данных, исследователи наконец-то обнаружили, что в среднем в одном из трехсот случаев свободные нейтроны предпочитают распадаться с испусканием фотона.

Точность проведенного эксперимента пока невелика, и может статься (хотя вероятность этого мала), что весь обнаруженный «сигнал» — это лишь результат случайного наложения фоновых процессов. Однако авторы замечают, что возможно дальнейшее усовершенствование методики, которое позволит достичь 10-процентной точности измерения вероятности этого распада.

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters , кратко о ней сообщает Physics .

В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино n → p + e − + ν e * (так называемый ), хотя Стандартная модель разрешает и более экзотические процессы, например, радиативный бета-распад или распад с образованием атома водорода. Теоретические оценки на время жизни свободного нейтрона, распадающегося по такому каналу, существенно зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента. Это мешает точно оценить время жизни нейтрона. В настоящее время теоретические расчеты предсказывают продолжительность жизни от 875 до 891 секунды, то есть порядка 15 минут.

С другой стороны, время жизни нейтрона можно измерить напрямую, причем сразу двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку , напоминающую по своей форме вытянутую бутылку, и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Сравнивая затем измеренную экспериментально зависимость с экспоненциальным законом N ~ exp(−t /τ), можно найти характерное время жизни нейтрона τ = τ бутылка. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада , а следовательно, и его характерное время, совпадающее со временем жизни нейтрона τ = τ пучок.

Проблема заключается в том, что результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд - в то время как бутылочные эксперименты дают значение τ = 879,6±0,6 секунд, эксперименты с пучками приводят к заметно большему значению τ = 888±2 секунды. Таким образом, расхождение между этими результатами достигает 4 . Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.

Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью . В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада и рассчитанное на ее основе время жизни надо будет немного подкорректировать. Грубо говоря, при наличии «невидимого» канала скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше. Если точнее, истинное время жизни можно восстановить, если умножить время τ пучок на отношение Br между числом реакций с участием частиц Стандартной модели и полным числом реакций (физики называют такое отношение «коэффициентом ветвления» , branching ratio). Чтобы увязать результаты «бутылочных» и «пучковых» экспериментов, отношение должно быть примерно равно Br ≈ 0,99, то есть около одного процента распадов должны идти по «невидимому» каналу.

Ученые предлагают два возможных канала распада с участием частиц темной материи. Один из них «невидим» полностью (включает в качестве конечных продуктов только частицы темной материи), а другой «невидим» только частично, то есть помимо массивной частицы темной материи содержит сравнительно легкие частицы Стандартной модели - фотоны, электроны, позитроны и так далее. К сожалению, при введении в теорию подобных каналов становится возможным распад протона, который на практике не наблюдается ; тем не менее, физики показали, что такие распады будут запрещены, если масса «невидимой» частицы будет лежать в диапазоне от 937,9 до 939,6 мегаэлектронвольт. Кроме того, дальнейший распад частицы с образованием протона будет невозможен, если ее масса будет меньше, чем 938,8 мегаэлектронвольт. При таком условии время жизни образовавшейся частицы будет довольно большим, что делает ее хорошим кандидатом на роль частицы темной материи.

«Невидимый» распад нейтрона на частицы темной материи

B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.

«Частично невидимый» распад нейтрона на частицу темной материи и фотон

B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.

Наконец, физики более подробно изучили каждый из двух возможных каналов и уточнили параметры частиц, которые в них образуются. Так, например, энергия фотонов, которые рождаются наряду с долгоживущими частицами темной материи в «частично невидимом» канале, лежит в диапазоне от 0,782 до 1,664 мегаэлектронвольт, причем фотоны должны быть монохроматичны (то есть их энергия во всех распадах одинакова). Если же требование долгого времени жизни с частицы снять, нижняя граница на энергию фотонов исчезнет.

Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции уже попытались обнаружить фотоны, которые рождаются в результате «частично невидимых» распадов нейтронов, просканировав диапазон энергий от 0.782 до 1.664 мегаэлектронвольт, - однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели , как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд - оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям астрономов; следовательно, в нейтронных звездах «невидимые» распады должны быть запрещены. Наконец, еще одна группа ученых показала , что аномально высокое содержание атомов 10 Be в продуктах распада 11 Be можно объяснить с помощью тех же самых механизмов, что и при распаде нейтрона.

Пока что ученым так и не удалось поймать в прямом эксперименте частицы темной материи, так что все свидетельства в пользу ее существования носят исключительно гравитационный характер. Вместо этого физики установили очень жесткие ограничения на сечение взаимодействия вимпов с веществом - так, наибольшее возможное значение этого сечения сейчас величиной порядка 10 −45 квадратных сантиметров. Тем не менее, исследователи не теряют надежды на успех - продолжают существующие экспериментальные установки, новые типы детекторов, ищут частицы темной материи других видов (например, или ), а также альтернативные способы детектирования частиц.

Дмитрий Трунин