Винаги е така: ако градинарят се радва на дъжда, туристът проклина този неподходящ дъжд. Слънцето грее горещо - и отново някои хора се чувстват добре, но други не. Уви, в света няма идеал и е невъзможно да се угоди на всички.
Преди откриването на неутрона, физиците смятаха, че атомното ядро се състои от протони и електрони. Това силно разстрои теоретиците - изчисленията им не свързваха двата края. Но експериментаторите, които изследваха радиоактивния бета-разпад на ядрата, бяха напълно спокойни. Не трябваше да се тревожат откъде идват електроните.
Появата на неутрона обърна всичко с главата надолу. Сега теоретиците се зарадваха, защото неутронно-протонният модел на структурата на ядрото елиминира всичките им трудности. Но радостта избледня и избледня от един поглед към онези, които се занимаваха с изследване на радиоактивността. Те поискаха отговор на един единствен, но изключително труден въпрос: откъде идват електроните по време на бета-разпада на ядрата, ако ги няма?
Наистина ли е необходимо отново да изоставим такава чудесно проста картина на структурата на ядрото и да направим крачка назад? Наистина ли е възможно, след като най-накрая видяхме ясни хоризонти, да се потопим отново в плашещата бездна от неразбираеми факти, които не съвпадат помежду си?
Въпросът, поставен направо е: откъде идват електроните в ядрото? - принуди физиците да направят огромна крачка напред. Може би не по-малко сериозна от стъпката с разпознаването на електрони.
Преди двадесет и три века Демокрит надарява света на атомите със свойството неделимост и неизменност. В самия край на 19-ти век физиците откъснаха този етикет от атомите и без колебание го приложиха към елементарните частици! За физиците беше много трудно да си представят тухлите от материя без обичайния спокоен и надежден етикет.
Основателят на квантовата механика В. Хайзенберг е първият, който разрешава мистерията на ядрото. Той предположи, че неутрон в ядрото понякога може да се превърне в протон плюс електрон и неутрино. Протонът остава в ядрото, а останалите „възникващи“ частици го напускат. Външно тази трансформация изглежда като радиоактивен бета-разпад.
Значи оттук идват електроните! За първи път изследователите на микросвета откриха взаимната конвертируемост на елементарните частици.
Неутронът, както по-късно се оказа, живее извън ядрото за не повече от 12 минути, разпадайки се на протон, електрон и неутрино. Нищо подобно не се случва със свободен протон. Но в радиоактивното ядро енергийната ситуация е такава, че дори стабилен протон може да се превърне в неутрон, позитрон и неутрино. Въз основа на името на елементарната частица - позитронът - това събитие в живота на радиоактивното ядро започва да се нарича позитронен разпад.
Каква е тази нова частица - позитрон?
Хем е нов, хем сякаш ни е познат отдавна. Това е точно копие на електрон, само че с обратен знак на електрическия заряд. Изглежда, че няма какво да се споменава за това, ако са необходими само няколко думи за позитронния разпад на ядрата.
Но не. Тази частица играе специална роля в историята на физиката на елементарните частици. Откриването на позитрона отвори вратата към света на античастиците. Той ни показа още едно свойство на материята - нейната способност да се трансформира от тежка форма във форма на енергия!
Всичко започна, когато през 1931 г. млад теоретичен физик от Кеймбриджкия университет, Пол Дирак, получи уравнение, описващо движението на електрона. Скоро той открива, че това уравнение има две решения, тоест освен електрона е подходящо да опише още една частица. Оказа се, че тази частица трябва да е напълно подобна на електрон, но с положителен електрически заряд.
По това време - а това се случи преди повече от четиридесет години - никой не беше чувал за античастици и единствената позната на физиците частица с положителен заряд беше протонът. Но протонът, поради голямата си маса, не отговори на второто решение на уравнението на Дирак.
Първоначално изглеждаше, че това е чисто математическо любопитство. Но всички опити да се изключи второто решение не доведоха до нищо. Едно от двете неща: или теорията на Дирак е грешна, или в природата съществува положително зареден електрон.
Предсказанието на Дирак беше толкова необичайно, че дори най-големите учени не го приеха веднага. Ландау, например, само три десетилетия по-късно заявява: „Кой може да спори, че Дирак е направил повече за науката за няколко години, отколкото всички присъстващи в тази зала са направили през целия си живот?“
Година по-късно, през 1932 г., в космическите лъчи е открит позитрон. В облачната камера те откриха следи от частици, които биха могли да принадлежат само на електрон, но с положителен заряд.
При изследване на космическите лъчи с помощта на облачна камера експериментаторите използваха метод, предложен през 1927 г. от съветския физик Д. Скобелцин. Между полюсите на електромагнит беше поставена облачна камера. Това позволи не само да се види следата на елементарна частица, но и да се измери енергията по нейната кривина в магнитно поле и да се определи знакът на електрическия заряд на представител на микросвета, летящ през камерата. На снимките, направени в облачната камера, ясно се вижда, че следите от електрона и позитрона са отклонени в противоположни посоки.
Опитът потвърди теорията. Двадесет и осем годишният Пол Дирак се присъедини към списъка на лауреатите на Нобелова награда.
След откриването на позитрона възникна въпросът: няма ли всяка елементарна частица „антиотражения“? Експериментаторите започнаха да търсят антипротона в космическите лъчи. Твърди се, че двойката електрон-позитрон потвърждава теорията на Дирак. Но не, не, и се промъкна мисълта за изключението, направено от природата специално за тези частици.
„Интервалът от време между предсказанието на антипротона и неговото наблюдение през 1955 г. беше твърде дълъг“, каза академик Я. Зелдович, „и нервите на някои теоретици не издържаха - през последните години бяха направени опити да се изгради теория без. антипротони."
Само четвърт век след предсказанието на Дирак, група американски учени, водени от Емилио Сегре и Оуен Чембърлейн, откриват антипротона. И година по-късно откриха антинеутрон.
Хващайки края на позитрона, физиците първо бавно, а след това все по-бързо и по-бързо започнаха да изваждат мрежата с античастици. И вече никой не се съмнява, че всяка елементарна частица има своя сянка - съответна античастица.
Изучавайки следи от позитрони в облачна камера, физиците веднага откриха, че електрон и позитрон, срещайки се един с друг, взаимно се „унищожават“ - анихилират.
Нямаше от какво да се страхуваме за природата - тя не загуби нищо. Масата на двете частици се трансформира в друг вид материя - в енергия, чието количество може лесно да се изчисли с помощта на добре известната формула на Алберт Айнщайн E = mc 2
„Този резултат от съвременната физика“, пише лауреатът на Нобелова награда Макс Лауе, „е най-смайващият от всички, които развитието на естествените науки някога е донесло.“
Колко странни се оказаха елементарните тухли от материя! Дори такива стабилни частици като протона и електрона могат да „изчезнат“ заедно с техните античастици. Мисълта неволно се прокрадна: как древните скали, направени от толкова крехък материал, могат да оцелеят до нашето време?
Но въпросът е, че елементарните частици показват готовност за трансформации само в специфичните условия на радиоактивните ядра и при среща с античастици. В достъпната за нас зона на света има неизмеримо по-стабилни ядра от радиоактивните. И това, което ни спасява от анихилация, е липсата на античастици в забележими количества.
Думата "електрон" на гръцки означава "кехлибар".
Талес от Милет (600 г. пр. н. е.) забелязал, че ако кехлибарът се търка силно върху плат, той ще започне да привлича леки предмети. Доста дълго време се смяташе, че само кехлибарът има това свойство. Същото обаче се случва и с предмети от пластмаса и други синтетични материали. Можете лесно да наблюдавате това явление с гребен и коса: след разресване, гребенът започва да привлича косата (а самата сресана коса, моля, имайте предвид, започва да се отблъсква).
Описаните явления се основават на явлението електричество . Състои се във взаимодействието на микроскопични частици със заряд – положителен или отрицателен. Частиците с еднакъв заряд се отблъскват, а частиците с противоположен заряд се привличат. Електрони- Това са най-малките елементарни частици с електрически заряд. Името електрони е дадено от англичанина J. J. Stoney. Той предложи да се нарече неделима частица заряд по този начин.
Както вече знаете, всички вещества се състоят от атоми - микроскопични частици. Всеки атом от своя страна се състои от ядро и обвивка. Ядрото се образува от протони и неутрони, но обвивката се състои от електрони и затова се нарича електронен облак.
Не само електроните имат електрически заряд, но и протоните (неутроните са електрически неутрални, както подсказва името им). В атома електроните се привличат към ядрото, тъй като то има положителен заряд поради заряда на протоните, докато електроните имат отрицателен заряд. Но въпреки тези свойства, електроните не се комбинират напълно с ядрото, тъй като те са в постоянно движение. А самият атом е напълно електрически неутрален, защото в един атом броят на протоните е равен на броя на електроните.
В металите някои електрони не са свързани с атоми и могат да се движат свободно. Насоченото движение на тези електрони предизвиква явление, без което трудно можем да си представим живота си - електрически ток. Ето защо металите се наричат проводници : те могат поведение, ръководенеелектричество. Веществата, които не могат да провеждат ток, се наричат изолатори , или диелектрици .
Нека се върнем към началото на нашата история и да отговорим на въпроса: защо кехлибарът е електрифициран? Първо, имайте предвид, че само изолатори могат да бъдат електрифицирани чрез триене. Когато две тела се търкат едно в друго, някои електрони се прехвърлят от едното тяло в другото. В резултат на това телата придобиват противоположни заряди. Само изолаторите могат да се наелектризират чрез триене, тъй като само в тези тела електроните, които преминават от едно тяло към друго, остават там, където са попаднали. Те започват да се движат свободно в проводниците.
Както вероятно вече се досещате, общият заряд на двойка тела, които се търкат едно в друго, е равен на нула, тоест такова плаващо електрически неутрален.
Кехлибарът се наелектризира от триене много лесно, точно като ебонит, стъкло или котешка козина.
Електричество(от гръцки електрон – кехлибар, тъй като кехлибарът привлича леки тела), или токът започва да се използва едва през 1800 г., когато италианският физик Алесандро Джузепе Антонио Анастасио Волтаизобретява първата батерия в света и по този начин осигурява първия надежден, постоянен източник на електричество.
Как възниква електричеството?
Всичко около нас се състои от малки частици, които са невидими за човешкото око – атоми. Атомът се състои от по-малки частици: в центъра има ядро, а около него се въртят електрони. Ядрото се състои от неврони и протони. Електроните, които обикалят около ядрото, имат отрицателен заряд (-), а протоните, които са в ядрото, имат положителен заряд (+). Обикновено броят на електроните в атома съвпада с броя на протоните в ядрото, така че атомът няма заряд - той е неутрален.
Има атоми, на които може да липсва един електрон. Те имат положителен заряд (+) и започват да привличат електрони (-) от други атоми. И в тези други атоми електроните излитат от орбитите си и променят траекторията си. Движението на електрони от един атом към друг произвежда енергия. Тази енергия се нарича електричество.
Откъде идва електричеството в домовете ни?
Ние получаваме електричество от големи електроцентрали. Електрическите централи имат генератори - големи машини, които работят от източник на енергия. Обикновено източникът е топлинна енергия, която се получава чрез нагряване на вода (пара). А за загряване на вода те използват въглища, нефт, природен газ или ядрено гориво. Парата, която се получава при нагряване на водата, задвижва огромните лопатки на турбината, които от своя страна стартират генератора.
Енергията може да се получи чрез използване на силата на водата, падаща от големи височини: от язовири или водопади (хидроелектрическа енергия).
Вятърната или слънчевата топлина могат да се използват като източник на енергия за генератори, но те не се използват често.
След това работещият генератор, използвайки огромен магнит, създава поток от електрически заряди (ток), който преминава през медните проводници. За да се пренася електричество на големи разстояния, напрежението трябва да се увеличи. За да направите това, се използва трансформатор - устройство, което може да увеличава и намалява напрежението. Сега електричество с висока мощност (до 10 000 волта или повече) се движи през огромни кабели, които са дълбоко под земята или високо във въздуха до местоназначението си. Преди да влезе в апартаменти и къщи, електричеството преминава през друг трансформатор, който намалява напрежението му. Сега готовото за използване електричество се движи през жици до необходимите обекти. Количеството използвана електроенергия се регулира от специални измервателни уреди, които са прикрепени към проводници, минаващи през стени и подове. доставят електричество на всеки 
стая от къща или апартамент. Електричеството захранва осветление, телевизор и различни домакински уреди.
Ако имате нужда от помощ при решаване на задачи по физика или математика, онлайн преподавателите винаги са готови да ви помогнат. По всяко време и навсякъде ученикът може да се обърне към онлайн учител за помощ и да получи съвет по всеки предмет от училищната програма. Обучението се осъществява чрез специално разработен софтуер. Квалифицирани преподаватели оказват помощ при попълване на домашните и обясняване на неразбираем материал; помощ при подготовката за държавния изпит и единния държавен изпит. Ученикът сам избира дали да провежда часове с избрания преподавател дълго време или да използва помощта на учителя само в конкретни ситуации, когато възникнат трудности с определена задача.
уебсайт, при пълно или частично копиране на материал се изисква връзка към източника.
Кикоин А.К. Две мистерии на бета разпада // Quantum. - 1985. - № 5. - С. 30-31, 34.
По специално споразумение с редакционната колегия и редакторите на сп. "Квант"
Както е известно, естественият бета-радиоактивен разпад се състои от факта, че ядрата на атомите на един елемент спонтанно излъчват бета-частици, тоест електрони, и в същото време се превръщат в ядра на друг елемент с атомен номер едно по-голям, но със същата маса („Физика 10“, § 103). Символично тази трансформация се записва по следния начин:
\(~^M_ZX \to \ ^M_(Z+1)Y +\ ^0_(-1)e\) .
Тук х- оригиналното ядро, Y- продукт на разлагане, д- електрон (горният индекс "0" показва, че масата на електрона в сравнение с единицата за атомна маса е много малка).
Внимателно изследване на бета разпада показа, че това явление е изпълнено с две мистерии.
Първа загадка: „загуба“ на енергия
Ако ядрото хспонтанно се превръща в ядро Y, то това означава, че енергията У X ядра хповече от енергия У Y ядро Y. И енергията на излъчената бета-частица в този случай трябва да е равна на енергийната разлика УХ- У Y (ако пренебрегнем енергията на отката).
Тъй като всички оригинални ядра хса еднакви, както и всички получени ядра са еднакви Y, всички излъчени бета частици трябва да имат еднаква енергия. Експериментите показват, че енергията на почти всички бета частици е по-малка от енергийната разлика УХ- У Y. По-точно: β -частиците имат различни енергии и всички те варират от нула до максимална стойност, равна на УХ- У Y. Например за бета частици, излъчвани от \(~\ ^(210)_(83)Bi\) ядра (период на полуразпад 5 дни), максималната енергийна стойност е около 1 MeV, а средната енергия на частица е по-малка от 0,4 MeV.
Изглеждаше, че бета-разпадът е процес, при който в нарушение на закона за запазване на енергията, енергията изчезва без следа. Някои физици бяха склонни да смятат, че законът за запазване на енергията, който със сигурност е верен в света на макроскопичните процеси, „не е необходим“ за някои процеси, свързани с елементарни частици. Дори такъв физик като Нилс Бор беше склонен към тази идея (за възможността за нарушаване на закона за запазване на енергията). Бяха изразени и други мнения, че може да има процеси, при които енергията не изчезва безследно (както при бета-разпадането), а по-скоро се появява от нищото.
Неутрино
Законът за запазване на енергията обаче е „спасен” от швейцарския теоретичен физик Волфганг Паули. През 1930 г. той предполага, че по време на бета-разпадане от ядрото се излъчва не само електрон, но и друга частица, която обяснява липсващата енергия. Но защо тази частица не се разкрива по никакъв начин: тя не йонизира газа, както прави електрона; енергията му при сблъсъци с атоми не се превръща в топлина и т.н.? Паули обяснява това, като казва, че изобретената от него частица е електрически неутрална и няма маса на покой.
Тази частица, на която италианският физик Енри Ко Ферми даде името неутрино, изглеждаше много странна. Цялата цел на неутриното беше да „спаси“ закона за запазване на енергията. Физиците никога досега не са имали работа с такива частици. Въпреки това идеята на Паули за нова частица бързо спечели всеобщо приемане. Съветският физик А.И. Лейпунски още през 1936 г. измисли начин да го открие. Реалното му съществуване обаче е окончателно доказано едва през 1956 г., почти 26 години след „раждането“ му в мозъка на изобретателния физик Б. Паули.
Втора загадка: откъде идват електроните?
Тази мистерия на бета разпада (може да се постави на първо място) се състоеше в това.
Както е известно ("Физика 10", § 107), атомните ядра на всички елементи се състоят само от протони и неутрони. Как могат електрони, които ги няма, и неутрино, които също ги няма, да излитат от ядрата?
Този удивителен факт (нещо, което не е там, излита от ядрото) може да се обясни само с факта, че частиците - протони и неутрони, които образуват ядрото - са способни взаимно да се трансформират една в друга. По-специално, бета-разпадането е, когато един от неутроните, влизащи в ядрото на радиоактивен елемент, се превръща в протон.
В този случай в ядрото има един протон повече, отколкото е бил, а общият брой на частиците остава същият. Само един от неутроните се превърна в протон. Но ако въпросът се ограничи до това, законът за запазване на електрическия заряд ще бъде нарушен. Природата не позволява подобни процеси! И така, оказва се, че заедно с трансформацията на неутрон в протон, в ядрото се ражда електрон, чийто отрицателен заряд компенсира положителния заряд на възникващия протон, и неутрино, което отнася определено количество на енергия. Така при бета-разпад в ядрото един от неутроните се трансформира в протон и се раждат две частици - електрон и неутрино. Протонът остава в ядрото, но електронът и неутриното, които „не би трябвало да са в ядрото“, излитат от него.
Обърнете внимание, че процесът на бета радиоактивно разпадане донякъде напомня на процеса на излъчване на светлинен квант (фотон). Бета частица и неутрино се раждат в момента на прехода на ядрото от едно състояние в друго, подобно на това как фотонът се излъчва от атом, когато електрон, който е част от електронната обвивка на атома, преминава от едно енергийно ниво към друго.