Hvilke partikler henfalder en neutron til? Neutroner henfalder også med emission af fotoner

NEUTRON BETA DECAY, omdannelsen af en fri neutron n til en proton p, elektron e og elektron antineutrino v? e forårsaget af svag interaktion: n → p + e - + v? e. Den energi, der frigives i denne proces, er 783 keV; den er hovedsageligt fordelt mellem elektronen og antineutrino, der flyver i forskellige retninger, og protonen transporterer væk fra 0 til 751 eV.

De første eksperimenter, hvor eksistensen af neutron-beta-henfald blev opdaget, og de første estimater af neutronens levetid (dvs. den tid, hvori antallet af neutroner falder med en faktor e) blev opnået af A. Snell (USA) , G. Robson (Canada) og P.E. Spivak (USSR) i slutningen af 1940'erne, da atomreaktorer med intense neutronstrømme dukkede op. I disse eksperimenter blev antallet af protoner eller elektroner udsendt fra et udvalgt område af neutronstrålen og antallet af neutroner i dette område målt. Siden da er studiet af neutronbeta-henfald - en proces, hvor egenskaberne ved den svage interaktion optræder i næsten ren form - blevet intensivt videreført.

Den moderne teori om elementarpartikler (den såkaldte standardmodel) betragter denne proces som resultatet af transformationen af en af de to d-kvarker, der er en del af neutronen og har en negativ ladning svarende til 1/3 af ladningen af elektronen til en op-kvark med en ladning på + 2/3 af ladningselektronen. I dette tilfælde vises en partikel - en bærer af den svage interaktion - en vektor W - boson, som næsten øjeblikkeligt henfalder til en elektron og en antineutrino. Således er nedbrydningsprocesdiagrammet som følger:

De vigtigste størrelser, der bestemmer neutronbeta-henfald, er neutronens levetid τ n og fire konstanter (vinkelkorrelationer), der karakteriserer afhængigheden af henfaldssandsynligheden af:

1) vinklen mellem emissionsretningerne for en elektron og en antineutrino med momenta p c og p v? e,

2) vinklen mellem r e og neutronspindet σ n

3) vinklen mellem p v? e og σ n og

4) vinklen mellem normalen til henfaldsplanet og σ n.

Den anden og tredje vinkelkorrelation overtræder loven om bevarelse af rumlig paritet, som er urokkelig i klassisk fysik (uafhængighed af naturlovene fra spejlreflektion af koordinater), og sidstnævnte, hvis det opdages, ville betyde en krænkelse af invariansen af love under tidsvending.

I begyndelsen af det 21. århundrede er mere end 25 målinger af neutronernes levetid blevet udført ved hjælp af forskellige metoder. Som et resultat blev det fastslået, at den gennemsnitlige neutronlevetid er τ n = 885,7 ±0,7 s. De mest nøjagtige værdier af τ n blev opnået ved at opbevare ultrakolde neutroner, som kan forblive i lang tid i lukkede volumener begrænset af svagt absorberende vægge eller specielle magnetfeltkonfigurationer. I dette tilfælde blev faldet i antallet af ultrakolde neutroner med tiden målt direkte.

Resultaterne af målinger af vinkelkorrelationskonstanter på det nuværende niveau af eksperimentel nøjagtighed modsiger ikke teorien. Forsøg på at opdage eventuelle effekter, der ville indikere behovet for at gå ud over standardmodellen, fortsætter dog.

Yderligere afklaring af neutronernes levetid og vinkelkorrelationskonstanter er også vigtig for astrofysik og kosmologi: disse data bruges i teorien om universets udvikling efter Big Bang og i beskrivelsen af de processer, der foregår inde i stjerner og bestemmer deres energi.

Lit.: Erozolimsky B. G. Beta-henfald af en fri neutron // Moderne metoder til nuklear spektroskopi. 1986. L., 1988; Aleksandrov Yu. A. Neutronens grundlæggende egenskaber. 3. udg. M., 1992.

B. G. Erozolimsky.

Proton-neutron-modellen af kernen tilfredsstiller fysikere fuldstændigt og anses for at være den bedste den dag i dag. Men ved første øjekast rejser det en vis tvivl. Hvis atomkernen kun består af protoner og neutroner, rejser spørgsmålet sig igen om, hvordan negativt ladede elektroner kan undslippe den i form af?-partikler. Hvad hvis der ikke er nogen elektroner i kernen, og de dannes i henfaldsøjeblikket? Lad os anvende fredningslove for at finde den rigtige løsning.

Dannelsen af en elektron betyder skabelsen af en negativ elektrisk ladning. Men ifølge loven om bevarelse af elektrisk ladning kan en negativ ladning ikke dannes, før en positiv ladning opstår på samme tid. Imidlertid flyver ikke en eneste positivt ladet partikel ud af kernen sammen med β-partiklen, derfor skal en sådan partikel forblive inde i kernen. Man ved, at der inde i kernen kun er én positivt ladet partikel - protonen. Af alt det, der er blevet sagt, følger det, at når en elektron udsendes fra en kerne, dannes en proton inde i kernen. Lad os gå videre til loven om energibevarelse. En proton har masse, og hvis den dannes, skal massen forsvinde et andet sted. Alle kerner undtagen hydrogen-1 indeholder neutroner. Når en neutron er uladet, opstår eller forsvinder den uden at overtræde loven om bevarelse af elektrisk ladning. Når en α-partikel udsendes inde i kernen, forsvinder derfor en neutron, og samtidig opstår der en proton (fig. 4). Med andre ord bliver en neutron til en proton, der udsender en elektron. Der er ingen overtrædelse af loven om bevarelse af energi, da neutronen er lidt tungere end protonen. En proton og elektron har tilsammen en masse på 1,008374 på atomvægtskalaen, mens en neutron har en masse på 1,008665. Når en neutron omdannes til en elektron og en proton, "forsvinder massen af 0,00029". I virkeligheden bliver det til den kinetiske energi af den udsendte partikel, svarende til cirka 320 keV.

Ris. 4. Stråling?-partikler.

Denne forklaring virker tilfredsstillende, så lad os opsummere ved at bruge et så simpelt system af symboler som muligt. Lad os betegne neutronen n, protonen p +, elektronen e - og skrive ligningen for strålingen fra?-partiklen:

n > p + + e-.

Vores ræsonnement afspejler kun indirekte, hvad der sker inde i kernen. I virkeligheden kan man ikke se ind i en kerne og se en proton blive til en neutron, når en ladet elektron frigives. I hvert fald ikke endnu. Er det muligt at observere individuelle neutroner i fri tilstand? Vil de så at sige blive til protoner foran vores øjne og udsende hurtige elektroner?

I 1950 lykkedes det endelig fysikere at få svaret. Frie neutroner henfalder fra tid til anden og bliver til protoner, og det sker ikke ofte. Hver gang en neutron gennemgår denne ændring, udsendes en elektron.

Neutroner eksisterer i en fri tilstand, indtil henfald opstår, og spørgsmålet om, hvor længe denne periode varer, er meget vigtigt. Hvornår præcis en neutron vil gennemgå radioaktivt henfald er umuligt at sige. Denne proces er tilfældig. En neutron eksisterer uden henfald i en milliontedel af et sekund, en anden i fem uger og en tredje i 27 milliarder år. For et stort antal partikler af samme type er det dog muligt med rimelig nøjagtighed at forudsige, hvornår en vis procentdel af dem vil henfalde. (Tilsvarende kan en forsikringsstatistiker ikke forudsige, hvor længe en enkelt person vil leve, men for en stor gruppe mennesker af en bestemt alder, erhverv, bopæl osv. kan han med stor nøjagtighed forudsige, hvor lang tid det vil tage for halvdelen af dem til at dø.)

Den tid, hvor halvdelen af partiklerne af en given type henfalder, kaldes normalt halveringstiden for partiklen. Udtrykket blev opfundet af Rutherford i 1904. Hver type partikel har sin egen karakteristiske halveringstid. For eksempel er halveringstiden for uranium-238 4,5·10 9 år, og den for thorium-232 er meget længere - 1,4·10 10 år. Derfor findes uran og thorium stadig i betydelige mængder i jordskorpen, på trods af at nogle af deres atomer på ethvert givet tidspunkt er ved at henfalde. I løbet af hele Jordens fem milliarder år lange historie forfaldt kun halvdelen af uran-238-reserverne og meget mindre end halvdelen af thorium-232-reserverne.

Nogle radioaktive kerner er meget mindre stabile. For eksempel, når uranium-238 udsender en partikel, bliver det til thorium-234. Halveringstiden for thorium-234 er kun 24 dage, så der er kun spor af dette grundstof i jordskorpen. Det dannes meget langsomt fra uran-238 og, når det først er dannet, henfalder det meget hurtigt.

Når thorium-234 henfalder, udsender det en partikel. Inde i thoriumkernen bliver en neutron til en proton. Denne transformation af thorium-234 sker med en sådan hastighed, at halveringstiden er fireogtyve dage.I andre radioaktive isotoper bliver neutroner meget langsommere til protoner. For eksempel udsender kalium-40 β-partikler med en halveringstid på 1,3·10 9 år. Nogle isotoper er slet ikke udsat for radioaktivt henfald. I kernerne af oxygen-16-atomer bliver så vidt vides ikke en eneste neutron i sig selv til en proton, dvs. halveringstiden er uendelig. Vi er dog mest interesserede i halveringstiden for en fri neutron. En fri neutron er ikke omgivet af andre partikler, der ville gøre den mere eller mindre stabil, forlænge eller forkorte dens halveringstid, dvs. i tilfælde af en fri neutron har vi så at sige en uforvrænget halveringstid. Det viser sig, at det er lig med omkring tolv minutter, hvilket betyder, at halvdelen af trillioner neutroner omdannes til protoner og elektroner i slutningen af hvert tolvte minut.

I atomverdenen er der, så vidt vi ved, tre vigtige bevaringslove, der gælder både i hverdagen og i det store univers, der omgiver os.

Disse omfatter lovene om bevarelse af momentum, bevarelse af vinkelmomentum og bevarelse af energi.

Alle tre love fastslår forholdet mellem masse og hastighed - mængder, som er velkendte for os. Men atomet og de partikler, der danner det, viser sig også at være underlagt den fjerde fredningslov, som vedrører et fænomen, som vi ikke kender til. Allerede i 600 f.Kr., takket være forskningen fra den græske filosof Thales af Milet, vidste man, at revet fossil harpiks - rav - har den egenskab at tiltrække lette genstande. Nu er det sædvanligt at sige, at gnidet rav modtager elektrisk ladning eller "elektrificeret". Ordet "elektricitet" kommer fra det græske elektron - rav.

I 1773 påviste den franske fysiker Charles François Dufay eksistensen af to forskellige typer elektrisk ladning, den ene fundet på gnidet rav og den anden på gnidet glas. Forskellen mellem disse to elektriske ladninger kan ses fra følgende eksperiment.

Lad os hænge to små stykker kork side om side på silketråde. Lad os røre hver af dem med et stykke elektrisk ladet rav, og noget af den elektriske ladning vil strømme ind i hvert stykke kork. Silketrådene, som de er ophængt i, hænger ikke længere lodret, men bøjer i en vinkel. Nu er stikkene længere fra hinanden, end de var før de modtog ladningen. Det samme vil ske, hvis begge stykker kork bliver berørt af elektrisk ladede glasstykker.

Hvis det ene stykke kork imidlertid røres med ladet rav og det andet med glas, vil begge stykker blive tiltrukket af hinanden. Dette var forskellen, der fik Du Fay til at foreslå eksistensen af to typer elektrisk ladning. En generalisering opstod: ligesom elektriske ladninger frastøder, i modsætning til elektriske ladninger tiltrækker.

I fyrrerne af det 18. århundrede begyndte amerikaneren Benjamin Franklin, en bredsindet mand, at eksperimentere med elektricitet. Han bemærkede, at hvis en krop, der bærer en type ladning, røres af en krop, der bærer en lige ladning af et andet tegn, neutraliserer ladningerne hinanden, og begge kroppe bliver elektrisk uladede. Det var, som om den elektriske væske var strømmet fra, hvor den var i overflod, til hvor den var mangelfuld. Som følge heraf blev der etableret et vist gennemsnitsniveau begge steder.

Franklin mente, at en krop, der indeholder et overskud af elektrisk væske, bærer positiv elektrisk ladning og kroppen, der mangler det, bærer negativ elektrisk ladning. Han kunne ikke sige, hvilken krop der indeholdt et overskud og hvilken mangel, så han tog vilkårligt anklagen om ugnidet glas som positivt og af gnidet rav som negativt. Disse betegnelser er blevet fulgt siden da.

Efterfølgende generationer af fysikere, der studerede adfærden af elektrisk ladede legemer, kom til den konklusion, at den samlede elektriske ladning i et lukket system er konstant.

Når rav gnides, opstår der faktisk ikke en elektrisk ladning ud af ingenting. Hvis rav gnides med hånden, kompenseres den negative elektriske ladning modtaget af rav med nøjagtig den samme positive ladning modtaget af hånden. Summen af disse to ladninger er nul. Når den elektriske ladning fra hånden går ned i jorden og spreder sig over hele jordens overflade, ser det ud til, at den forsvinder. Illusionen om, at en ladning "optræder" på ravet, skabes. Vi har allerede overvejet lignende tilfælde med positive og negative impulser eller med uret og mod uret vinkelmomentum. Derfor kan vi formulere den fjerde fredningslov: bevarelse af elektrisk ladning.

Kernereaktioner og elektrisk ladning

Da fysikere begyndte at forstå atomets struktur mere klart i 1990'erne, opdagede de, at i det mindste nogle dele af det bar en elektrisk ladning. For eksempel er elektronerne, der fylder de ydre områder af et atom, negativt ladede, mens kernen i atomets centrum bærer en positiv elektrisk ladning. Selvfølgelig opstod spørgsmålet med det samme om størrelsen af disse afgifter; før vi svarer, lad os overveje nogle afgiftsenheder.

Den almindeligt accepterede enhed for elektrisk ladning er vedhæng(opkaldt efter den franske fysiker Charles Augustin Coulomb, som i 1785 bestemte størrelsen af den elektriske ladning ved at måle tiltræknings- og frastødningskraften med andre ladninger). I en 60-watt pære passerer en elektrisk ladning på en coulomb gennem ethvert punkt på glødetråden hvert andet sekund. Langt mindre elektrostatisk afgiftsenhed. En coulomb er lig med 3·10 9 elektrostatiske enheder.

Men selv den elektrostatiske enhed er ekstremt stor til at måle ladningen af en enkelt elektron. Ladningen af en elektron blev først målt med tilstrækkelig nøjagtighed i 1911 af den amerikanske fysiker Robert Andrews Millikan. Det viste sig at svare til cirka en halv milliardtedel af en elektrostatisk enhed. Ifølge nyere målinger er ladningen af en elektron 4,80298·10 -10 elektrostatiske enheder. For ikke at bruge sådan en ubekvem brøk, tog vi elektronens elektriske ladning til at være lig med -1, hvor minustegnet betyder en negativ ladning. Enhver elektron, uanset om den er involveret i en elektrisk strøm eller tilhører et atom af et hvilket som helst grundstof, har en ladning nøjagtigt lig med -1, uanset nøjagtigheden af vores mest følsomme instrumenter.

Den enkleste atomkerne, altså kernen i et brintatom, har en elektrisk ladning på +1. Så vidt de mest følsomme instrumenter kan bedømme, er brintkernens positive ladning nøjagtigt lig med elektronens negative ladning (selv om det selvfølgelig står modsat i fortegn). Tungere atomkerner har større positive ladninger, som nødvendigvis udtrykkes som et heltal. Indtil videre er der i det mindste ingen fraktioneret ladning, positiv eller negativ, blevet opdaget.

Atomerne af hvert grundstof har en karakteristisk nuklear ladning, der er forskellig fra ladningen af atomerne i andre grundstoffer. For eksempel har alle brintatomer en nuklear ladning på +1, alle heliumatomer +2, alle kulstofatomer +6, alle uranatomer +92. Denne nukleare ladning kaldes Atom nummer.

Isotoper adskiller sig fra hinanden i massetal, men ikke desto mindre er de identiske i atomnummer og er atomer af samme grundstof. Der er både atomer med en kerneladning på +1 og et massetal på 1, og atomer med en kerneladning på +1 og et massetal på 2. Begge typer er hydrogenatomer. De kaldes hydrogen-1 eller hydrogen-2, eller 1 H 1 og 1 H 2, hvor indekset øverst til højre er massetallet, indekset nederst til venstre er atomnummeret. På samme måde skrives to isotoper af uran 92 U 238 og 92 U 235.

Begge isotoper af uran er radioaktive. Hver af dem henfalder, udsender en partikel og bliver til et thoriumatom. Atomnummeret for thorium er 90, og a?-partiklen, som er heliumatomets kerne, har atomnummer 2. Så kan vi skrive:

U +92 > Th +90 + He +2.

Den oprindelige atomkerne havde en ladning på +92, og de to endelige kerner havde en ladning på +90 og +2, dvs. i alt +92. Dette er et særligt tilfælde af den generelle regel. Atom med atomnummer X, Efter at have udsendt en?-partikel, bliver den altid til et andet atom med atomnummer x-2. Der blev aldrig observeret nogen undtagelser. I tilfælde af stråling fra en β-partikel er loven om bevarelse af elektrisk ladning følgelig opfyldt.

Er loven om bevarelse af elektrisk ladning gældende for emission af partikler fra en atomkerne? Denne partikel er en elektron, som er betegnet e-1, da elektronen har en ladning på -1.

Lad os derefter overveje adfærden af thoriumisotoper dannet under henfaldet af uran. De er ikke særlig almindelige i naturen, fordi de til gengæld forfalder hurtigt. I dette tilfælde udsendes en β-partikel, og der dannes en isotop af grundstoffet protactinium, som har atomnummer 91 og er betegnet med symbolet Ra. Ved at fokusere på den elektriske ladning kan vi skrive

Th +90 > Pa +91 + e-1.

Igen observerer vi bevarelsen af elektriske ladninger.

Atom med atomnummer X, Efter at have udsendt en?-partikel, bliver den altid til et andet atom med atomnummer x+1. Der blev heller ikke observeret nogen undtagelser fra denne regel. Det betyder, at loven om bevarelse af elektrisk ladning også gælder for stråling af en partikel.

Et atom, der udsender β-stråler, ændrer ikke sit atomnummer under emissionsprocessen, da fotonen af β-stråler ikke bærer en ladning.

Kort sagt viste det sig, at loven om bevarelse af elektrisk ladning er opfyldt i enhver nuklear reaktion.

Kernestruktur

Selvom spørgsmålet om strålingen af en partikel syntes endeligt afklaret, siden loven om bevarelse af elektrisk ladning var opfyldt, fortsatte fysikerne deres forskning. Det forblev et mysterium for dem, hvordan en positivt ladet kerne kunne udsende en negativt ladet partikel.

Den simple kendsgerning, at atomkernen udsender ?- og ?-partikler, indikerer i sig selv, at kernen består af endnu mindre dele, og mindst én af dem skal bære en positiv elektrisk ladning.

I næsten ti år efter opdagelsen af elektronen var fysikere på udkig efter en positivt ladet partikel, der ligner en negativt ladet elektron. Men eftersøgningen lykkedes ikke. Den mindste positivt ladede partikel, der blev opdaget, viste sig at være en hydrogen-1-kerne, og den blev betegnet 1 H 1 . Dens elektriske ladning var minimal, det vil sige, den var nøjagtigt lig med elektronens ladning, men havde det modsatte fortegn. Imidlertid var massen af denne partikel 1836,11 gange større end elektronens masse.

I 1914 var Rutherford overbevist om, at brintkernen var den letteste positivt ladede partikel, der findes i alle atomkerner. Men hvorfor den er så meget tungere end en negativt ladet elektron (selvom begge partikler har samme ladninger med modsat fortegn) kunne han ikke forklare. Og det kunne ingen, hverken dengang eller nu. Dette er stadig et af kernefysikkens uløste problemer den dag i dag.

I 1920 foreslog Rutherford at kalde denne positivt ladede partikel for en proton, fra det græske ord protos - for det første, da den på grund af sin store masse så ud til at være den første, altså den vigtigste, blandt subatomære partikler. Massen af en proton på atomskalaen er 1,00797, og i de fleste tilfælde tages den som enhed uden større fejl.

Hydrogen-1-kernen består af en proton. Det så ud til, at alle andre kerner skulle indeholde to eller flere protoner, men det blev hurtigt klart, at atomkerner (ikke hydrogen-1, men andre) ikke kun kan bestå af protoner. En proton har en elektrisk ladning på +1 og et massetal omtrent lig med én, og hvis kerner kun var sammensat af protoner, skulle deres atomnummer være lig med atomnummeret. Men dette gælder kun for brint-1. Masseantallet af andre kerner er større end deres atomnummer.

Betragt for eksempel en nitrogenkerne med et massetal på 14. Hvis den kun bestod af en proton, ville dens elektriske ladning være +14, og derfor ville atomnummeret også være 14. I virkeligheden er den elektriske ladning af nitrogenkernen er +7, og kernen kan betegnes som 7 N 14. Hvad sker der med de resterende syv ladningsenheder?

Først troede fysikere, at svaret lå i tilstedeværelsen af elektroner i kernen. Hvis nitrogenkernen indeholdt 14 protoner og 7 elektroner, ville den samlede masse af de syv elektroner være lille nok til at blive ignoreret, men elektronerne ville kompensere for halvdelen af de positive ladninger. Som en bivirkning ville tilstedeværelsen af nukleare elektroner også påvirke kernens evne til at udsende elektroner i form af β-partikler. Denne model af kernens struktur fejlede i spørgsmålet om partiklens spin.

Det er kendt, at når ladede partikler bevæger sig, dannes et magnetfelt. I 1928 kom den engelske fysiker Paul Dirac til den konklusion, at ladede partikler bevæger sig, selv når de ser ud til at være i ro. Det er bedst at antage, at sådanne partikler roterer omkring deres akse, det vil sige, at de har en vis vinkelmomentum. Hvis en partikel roterer, skal den have energi, der absorberes i visse portioner eller kvanter. Dette gælder for alle roterende legemer (selv planeter som Jorden). Kvantummets størrelse er dog så lille sammenlignet med Jordens samlede rotationsenergi, at hvis Jorden modtog en kvante eller endda en billion kvanta rotationsenergi, ville ingen bemærke noget. Men hvis en subatomær partikel modtog et sådant energikvantum, ville dens rotation mærkbart ændre sig, da kvantummet for en subatomær partikel er meget stort. En partikels rotation kan ikke detekteres ved nogen målinger, men det kan påvises, at værdierne af partiklens spin kun svarer til et helt tal af energikvanter. Størrelsen af vinkelmomentet af en roterende partikel er ekstremt lille. Derfor blev der opfundet en speciel skala, ifølge hvilken fotonspindet blev taget lig med enhed; på denne skala har protonen og elektronen hver et spin på 1/2. Vinkelmomentet kan rettes med eller mod uret. En proton eller elektron kan rotere i en eller anden retning, og derfor er dens spin enten +1/2 eller -1/2.

Lad os overveje et system, der indeholder flere sådanne partikler. Hvis loven om bevarelse af vinkelmomentum er gyldig, skal systemets samlede spin være lig med summen af spins af individuelle partikler. Lad systemet bestå af fire partikler - protoner eller elektroner, eller begge dele. Hvis hver partikel har et spin på +1/2 eller -1/2, er det samlede spin nul eller en heltalsværdi. Det samlede spin af et system, der indeholder et lige antal partikler, som hver har et spin på + 1/2 eller -1/2, er altid nul eller et heltal.

Hvis systemet består af et ulige antal partikler, som hver har et spin på +1/2 eller -1/2, vil det samlede spin aldrig være lig med et heltal eller nul, men vil kun tage halvheltalsværdier.

Derfor, hvis atomkernen består af protoner og elektroner, afhænger det samlede spin af kernen (kernespin) af det samlede antal af alle partikler. Så, hvis nitrogenkernen 7 N 14 faktisk består af 14 protoner og 7 elektroner, er det samlede antal partikler 21, dvs. ulige, og kernespin af nitrogen-14 bør være lig med 1/2.

Eksperimenter udført i 1929 viste dog, at det er lig med et heltal.

Denne uoverensstemmelse blev også fundet for nogle andre kerner. Det blev helt klart, at hvis kerner indeholder både protoner og elektroner, overtræder nogle af dem loven om bevarelse af vinkelmomentum. Fysikere kan virkelig ikke lide at opgive loven, hvis der er en måde at undgå det på, så de skyndte sig at søge efter en anden forklaring på kernens struktur.

Lad os antage, at der i stedet for et proton-elektron-par er én uladet partikel i kernen. Dens eksistens påvirker ikke loven om bevarelse af elektrisk ladning, da den samlede elektriske ladning af proton-elektronparret er nul, og ladningen af partikelen, der erstatter dem, er også nul.

Forskellen ligger i vinkelmomentet. Hvis en proton og elektron har spin på +1/2 eller -1/2 hver, vil det samlede spin være +1, 0 eller -1. En uladet partikel kan have et spin på +1/2 eller -1/2. Nitrogen-14-kernen skal så bestå af protoner og uladede partikler.

Hvis massen af en neutral partikel er lig med massen af en proton, skal massetallet være 14, og atomtallet (på grund af protoner alene, da de er de eneste med en positiv ladning) skal være syv, dvs. ville være isotopen 7 N 14. Kun det samlede antal partikler i kernen ville være 14, altså lige, i stedet for de ulige 21. Men med et lige antal partikler, som hver har et spin på 1/2, skal kvælstofkernens spin være et heltal. Dermed ville loven om bevarelse af vinkelmomentum blive reddet.

Vanskeligheden lå i selv at finde denne uladede partikel.

Metoder til påvisning af subatomære partikler var baseret på deres evne til at slå elektroner ud af de atomer, de kolliderer med, og omdanne dem til ioner. Sidstnævnte er optaget af forskellige instrumenter, der bruges af fysikere til at studere partikler.

Ioner dannes af partikler, der bærer enhver form for ladning. En negativt ladet partikel frastøder negativt ladede elektroner og slår dem ud af atomet, den flyver i nærheden af. En positivt ladet partikel tiltrækker elektroner og fjerner dem fra atomerne tættest på den. En uladet partikel interagerer ikke med elektroner, det vil sige, den danner ikke ioner, og kan derfor ikke detekteres direkte. Der er dog indirekte metoder til at opdage normalt usynlige objekter. Hvis du kigger ud af vinduet, vil du se træer, men du vil ikke se luft. Men hvis du bemærker, at løvet på træerne svajer, kan du med rette antage, at det får energi på grund af bevægelsen af nogle masser, som du ikke er i stand til at se. Ved omhyggeligt at studere adfærden af bevægelige blade kan du lære meget om luftens egenskaber uden overhovedet at se det.

Begyndende i 1930 begyndte videnskabsmænd at bemærke, at når visse grundstoffer bombarderes med?-partikler, genereres der stråling, som ikke kan detekteres med konventionelle metoder. Hvis paraffin blev placeret i vejen for sådan stråling, blev der udsendt protoner fra den. Noget gav protonerne momentum. Det overførte momentum var betydeligt, derfor må strålingen have bestået af meget tunge eller meget hurtige partikler, og muligvis både tunge og hurtige. Den engelske fysiker James Chadwick var i stand til at fortolke de opnåede data korrekt og annoncerede i 1932 opdagelsen af en længe mistænkt neutral partikel. Det blev kaldt neutronen. En neutron har en masse, der er lidt større end massen af en proton; det antages i øjeblikket at være 1,008655. Neutronen har nul elektrisk ladning og et spin på +1/2 eller -1/2, det vil sige præcis de egenskaber, der var nødvendige for at redde loven om bevarelse af vinkelmomentum.

Den tyske fysiker Werner Karl Heisenberg antog straks, at kernen består af protoner og neutroner, altså af de to typer nukleoner, der blev nævnt ovenfor.

Da masseantallet af protoner og neutroner er cirka én, er massetallet for enhver kerne lig med antallet af nukleoner, den indeholder. Atomnummeret, som repræsenterer kernens elektriske ladning, er lig med antallet af protoner, da kun protoner bærer elektrisk ladning. 2 He 4 kernen består af 2 protoner og 2 neutroner (dvs. fire nukleoner), 8 O 16 består af otte protoner og otte neutroner (dvs. 16 nukleoner), 90 Th 232 består af 90 protoner og 142 neutroner (dvs. 232 nukleoner).

Alle isotoper af ethvert grundstof har det samme atomnummer, derfor skal de alle have det samme karakteristiske antal protoner i deres kerner. De har forskellige massetal, så de skal have forskellige antal nukleoner. Denne forskel opstår kun på grund af forskellen i antallet af neutroner. Således indeholder kernerne af to kulstofisotoper, 6 C 12 og 6 C 13, 6 protoner og 6 neutroner i det første tilfælde og 6 protoner og 7 neutroner i det andet.

Hvad angår uran, består 92 U 235-kernen af 92 protoner og 143 neutroner, dvs. i alt 235 nukleoner, 92 U 238-kernen består af 92 protoner og 146 neutroner, dvs. i alt 238 nukleoner.

Neutronhenfald

Ris. 4. Stråling?-partikler.

n > p + + e-.

Fysikere fra University of California i San Diego har foreslået at bruge mørkt stof til at forklare uoverensstemmelsen mellem "flaske" og "stråle" eksperimenter for at bestemme levetiden for en fri neutron. For at gøre dette skal omkring én procent af neutronhenfaldet som slutprodukt indeholde en partikel af mørkt stof, hvis masse praktisk talt falder sammen med protonens masse. Artikel offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve, beretter kort om det Fysik.

I en bundet tilstand (inde i atomkernen) kan neutroner leve i det uendelige, men frie neutroner henfalder hurtigt. Som regel er produkterne af et sådant henfald en proton, en elektron og en elektron antineutrino. n → s + e − + ν e* (såkaldt), selvom standardmodellen også giver mulighed for mere eksotiske processer, såsom strålingsbeta-henfald eller henfald til dannelse af et brintatom. Teoretiske estimater for levetiden af en fri neutron, der henfalder gennem en sådan kanal, afhænger væsentligt af værdien af aksial-vektor-til-vektor-koblingsforholdet, som måles med en relativ fejl på omkring 0,2 procent. Dette gør det vanskeligt at estimere neutronens levetid nøjagtigt. I øjeblikket forudsiger teoretiske beregninger en levetid på 875 til 891 sekunder, eller omkring 15 minutter.

På den anden side kan en neutrons levetid måles direkte, og på to måder, der let implementeres i praksis. I den første type eksperiment afkøler forskerne partikler til en lav temperatur, placerer dem i en gravitationsfælde formet som en aflang flaske og måler antallet af neutroner i fælden. N afhænger af tid. Sammenlign derefter den eksperimentelt målte afhængighed med den eksponentielle lov N~ exp(- t/τ), kan vi finde den karakteristiske neutronlevetid τ = τ flaske. I den anden type eksperiment tager fysikere en stråle af neutroner og måler, hvor mange protoner den indeholder, produceret af beta-henfald. Dette gør det muligt at bestemme henfaldshastigheden og følgelig dens karakteristiske tid, som falder sammen med neutronens levetid τ = τ stråle.

Problemet er, at resultaterne af målinger foretaget med forskellige metoder adskiller sig med næsten ti sekunder – mens flaskeforsøg giver en værdi på τ = 879,6 ± 0,6 sekunder, fører forsøg med stråler til en mærkbart højere værdi på τ = 888 ± 2 sekunder. Således når uoverensstemmelsen mellem disse resultater op på 4. Årsagerne til en sådan uoverensstemmelse kan enten være systematiske fejl, der overses af flere grupper af forsøgsledere på én gang, eller fundamentale mekanismer, der peger på fysik ud over standardmodellen.

Fysikerne Bartosz Fornal og Benjamin Grinstein foreslår at forklare uoverensstemmelsen mellem resultaterne af forskellige eksperimenter med . Faktisk antages det i "stråle"-metoden, at som et resultat af henfald bliver hundrede procent af neutronerne til protoner plus nogle andre mindre massive partikler (fotoner, neutrinoer og så videre). Hvis en lille del af disse henfald sker gennem en "usynlig" kanal, det vil sige, at den som slutprodukter indeholder en partikel af mørkt stof, der interagerer meget svagt med stof, så skal henfaldshastigheden og levetiden beregnet på basis heraf være lidt justeret. Groft sagt, i nærværelse af en "usynlig" kanal, er henfaldshastigheden undervurderet, og det ser ud til at eksperimentere ser ud til, at neutronerne lever lidt længere. Mere præcist kan den sande levetid genoprettes ved at gange tiden τ-strålen med forholdet Br mellem antallet af reaktioner, der involverer standardmodel-partikler og det samlede antal reaktioner (fysikere kalder dette forhold for "forgreningsforholdet"). For at forene resultaterne af "flaske"- og "stråle"-eksperimenterne skal forholdet være omtrent lig med Br ≈ 0,99, det vil sige, at omkring en procent af henfaldene skal gå gennem den "usynlige" kanal.

Forskere foreslår to mulige henfaldskanaler, der involverer mørkt stofpartikler. En af dem er "usynlig" fuldstændig (inkluderer som slutprodukter kun mørkt stof partikler), og den anden er kun delvist "usynlig", det vil sige, at den foruden den massive mørk stofpartikel indeholder relativt lette partikler af standardmodellen - fotoner, elektroner, positroner og så videre. Desværre, når sådanne kanaler introduceres i teorien, bliver protonhenfald muligt, hvilket ikke observeres i praksis; dog har fysikere vist, at sådanne henfald vil være forbudt, hvis massen af den "usynlige" partikel ligger i området fra 937,9 til 939,6 megaelektronvolt. Derudover vil yderligere henfald af partiklen til at danne en proton være umulig, hvis dens masse er mindre end 938,8 megaelektronvolt. Under denne betingelse vil levetiden for den resulterende partikel være ret lang, hvilket gør den til en god kandidat til rollen som en mørk stofpartikel.

"Usynlig" neutron henfald til mørkt stof partikler

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

'Delvis usynlig' henfald af en neutron til en mørk stofpartikel og en foton

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

Endelig studerede fysikere hver af de to mulige kanaler mere detaljeret og afklarede parametrene for de partikler, der dannes i dem. For eksempel ligger energien af fotoner, der fødes sammen med langlivede mørkt stofpartikler i en "delvis usynlig" kanal i området fra 0,782 til 1,664 megaelektronvolt, og fotonerne skal være monokromatiske (det vil sige, at deres energi er den samme i alle henfald). Fjernes kravet om lang levetid fra partiklen, forsvinder den nedre grænse på fotonenergien.

Selvom fysikernes artikel i Fysiske anmeldelsesbreve udkom i sidste uge; den blev offentliggjort på preprint-webstedet arXiv.org den 3. januar 2018. Derfor har flere grupper af videnskabsmænd allerede formået at anvende Fornals og Greensteins ideer i deres arbejde. Især har en gruppe forskere fra Amerika og Frankrig allerede forsøgt at detektere fotoner, der er født som et resultat af "delvis usynlige" henfald af neutroner, og scannet energiområdet fra 0,782 til 1,664 megaelektronvolt - dog var de aldrig i stand til at registrere et mærkbart signal, som udelukker dannelsen af langlivede partikler mørkt stof under henfald. Andre grupper så på, hvordan "usynlige" henfald ville påvirke udviklingen af neutronstjerner - det viste sig, at hvis sådanne henfald rent faktisk fandt sted, ville stjernernes masse falde hurtigt. Dette modsiger astronomernes observationer; derfor bør "usynlige" henfald forbydes i neutronstjerner. Endelig viste en anden gruppe videnskabsmænd, at det unormalt høje indhold af 10 Be-atomer i henfaldsprodukterne af 11 Be kan forklares ved hjælp af de samme mekanismer som i neutronhenfald.

Hidtil har videnskabsmænd ikke været i stand til at fange mørkt stof partikler i et direkte eksperiment, så alle beviser til fordel for dets eksistens er udelukkende gravitationsmæssig karakter. I stedet har fysikere etableret meget strenge begrænsninger for tværsnittet for WIMP'ers interaktion med stof - for eksempel er den maksimalt mulige værdi af dette tværsnit nu i størrelsesordenen 10 -45 kvadratcentimeter. Ikke desto mindre mister forskere ikke håbet om succes - de fortsætter eksisterende eksperimentelle installationer, nye typer detektorer, leder efter mørkt stof-partikler af andre typer (f.eks. eller) samt alternative metoder til at detektere partikler.

Dmitry Trunin

Halveringstid af en fri neutron. B-r. blev eksperimentelt opdaget for første gang. n. og opnåede estimater af dets halveringstid næsten samtidigt (1948-50) og uafhængigt af hinanden af A. H. Snell (Oak Ridsch, USA), J. Robson (Choke River, Canada) og P E. Spivak (IAE). I alt blev der udført >15 målinger T 1/2 neutron. Naib. eksakte data blev opnået i arbejdet af C. Christensen og medarbejdere (1970) (=10,61b0,16 min), Spivaks grupper (1978, T 1/2 =10,18b0,10 min) og G. Byrne (1980, G 1/2 = 10,82b0,21 min.).

Til at bestemme T 1/2 neutroner blev produceret af 2 uafhængige abs. målinger: antallet af neutronhenfaldshændelser i et givet område af en kollimeret stråle af termiske neutroner blev bestemt, og antallet af neutroner placeret i dette område blev målt. I dette tilfælde blev der registreret enten elektroner (Christensen) eller henfaldsprotoner (Spivak, Byrne), hvis energiområde var 0-800 eV. I Spivaks arbejde blev de registreret specielt. lav baggrund proportional tæller, kom protonerne ind i indgangsvinduet efter at have passeret gennem begrænseren. diafragma og accelereret til en energi på 25 keV i sfærisk. fokusfelt (fig. 1). Antallet af neutroner i henfaldsregionen blev bestemt ved abs. aktivitet af Au bestrålet samme sted som neutronstrålen.

Energi elektronspektret blev målt af Robson og Christensen (1972). Med undtagelse af

Ris. 1. Skema for forsøget til at måle halveringstiden for en fri neutron 1 - vakuumkammer; 2 - neutronstråle; 3, 5 - restriktive membraner, 4 - skærm (afskærmning af eksterne felter); 6 - bremsegitter; 7 - fokuseringselektroder; 8 - protondetektor (proportionaltæller).

Nogle afvigelser i området med blød energi (ca. 250 keV, tilsyneladende på grund af målefejl) generelt stemmer spektret godt overens med Fermi-formlen for tilladte overgange (se. Beta-forfald kerner):

Her er elektronenergien, og er grænseenergien for spektret (fig. 2). Forsøget giver 782b13 keV, hvilket er i overensstemmelse med det teoretiske. værdi, som følger af dataene om neutronens masser, brintatomet: = 782.318b0.017 keV.

Ris. 2. Beta-spektrum af henfaldet af en fri neutron; ubrudt linje - teoretisk kurve; cirkler svarer til eksperimentelle værdier under hensyntagen til energiopløsning.

Vinkelkorrelationer af henfaldsprodukter. Impulserne af 3 partikler dannet under B-r. n., er relateret til hinanden ved bevarelsesloven, og under hensyntagen til den henfaldende neutrons spin er kun 4 uafhængige vinkelkorrelationer teoretisk mulige. Sandsynligheden for henfald af en fri neutron pr. tidsenhed kan skrives som:

Her er formen på spektret, er elektronens hastighed, er enhedsvektorerne for retningerne for elektron- og antineutrino-emission, EN- koblingskonstant mellem retningerne for emission af antineutrino og elektron; EN karakteriserer forholdet mellem retningen af elektronemission og rotationsretningen for den henfaldende neutron; I karakteriserer forholdet mellem retningen af emission af antineutrino og neutronens spin; D karakteriserer sammenhængen mellem retningen af spin s og normalen til partikeludvidelsesplanet.

Korrelationer er rumligt ulige, det vil sige, at de skifter fortegn, når koordinatsystemet spejles. Tripelkorrelation er rumligt lige, men er ulige med hensyn til tidsinversion ( T ulige).

Neutronhenfald og svage interaktionskonstanter. Ifølge det teoretiske ideer, grundlæggende bidrag til B-r.n. skal give vektor (F) og aksial vektor ( EN)interaktioner ( V -EN-variant) med en masseløs langsgående antineutrino eller (evt.) med en næsten langsgående antineutrino, som har en meget lille (i forhold til en elektron) masse. En superposition af yderligere 3 (i alt 5) varianter af svag interaktion er teoretisk tænkelig 4 fermioner- skalær ( S), pseudoskalær ( P) og tensor ( T). Afklarende spørgsmålet om, hvilke muligheder der rent faktisk implementeres, er kap. opgaven med at studere beta-henfald af kerner og neutroner. Naib. en pålidelig måde at løse dette problem på er at opnå nøjagtige værdier af konstanterne a, A, B, D. I tilfældet B-r. n. fortolkningen af eksperimentelle data er fri for usikkerheder genereret af ukendte detaljer om nuklear struktur.

Præcisionsundersøgelser af antineutrino-elektron-korrelationen udført i Østrig. forsket center i Seibersdorf (1975-78), gav værdien a = -0,1017 b 0,0051. Samtidig blev spektret af henfaldsprotoner, der fløj gennem den evakuerede kanal fra reaktorkernen, målt. Målekonstanter EN Og I blev først mulig, efter at der var opnået kraftige bjælker polariserede neutroner(op til 109 neutr/s). Naib. simpelt konstant måleskema EN. Fra et givet område af en stråle af polarisatorer. neutroner, elektroner, der flyver i en bestemt rumvinkel registreres i 2 retninger af neutroner - parallelt og antiparallelt med elektronregistreringsaksen, sammenligner tællehastighederne under disse forhold, den såkaldte. asymmetri værdi:

hvor er gennemsnittet over den registrerede del af spektret, er vinklen mellem retningen af neutronpolarisationen

Ris. 3. Eksperimentel skema til måling af elektron-spin-korrelation: 1 - elektrondetektor (scintillationsplast og PMT); 2 - net; 3 - vakuumkammer; 4 - en stråle af polariserede neutroner; 5 - sfærisk elektrode (+ 25 kV); 6 -lille kugleformet net; 7 - protondetektor (CsI og PMT): 8 - skærm; 9 - konisk mesh (+28 kV); 10 - en diafragma, der vælger neutronstrålens arbejdsområde.

ny og momentum af den detekterede elektron, TIL- koefficient polarisering af neutronstrålen.

I virkeligheden er billedet kompliceret af tilstedeværelsen af en baggrund fra elektroner, der ikke er forbundet med neutronens henfald. Dette tvinger elektrondetektoren til at blive tændt, så den falder sammen med henfaldsprotondetektoren. I dette tilfælde kan vinkelkorrelationen af antineutrino-spin, som er 10 gange stærkere end den målte, dog yde et mærkbart bidrag til asymmetrien. I værkerne af Institut for Atomenergi er installationen designet på en sådan måde, at det sikres opsamling af alle protoner dannet under B-r. n., som udelukkede indflydelsen af antineutrino-spin-korrelationen (fig. 3). Resultatet af dette arbejde: EN=-0,114b0,005. Lignende undersøgelser udført på Argonne Laboratory (USA) gav: EN=- 0,113b0,006.

For en konstant I opnåede værdier: I= 1,01b0,05 (USA) og B=+0,955b0,035 (USSR). Korrelation er genstand for at søge efter krænkelser T-paritet i svage interaktioner. Der blev udført i alt 6 målinger af konstanten D. Naib. nøjagtige afstande: D=+0,0022b0,0030 (USSR) og D=-0.0011b0.0017 (Grenoble, Frankrig). Disse resultater indikerer fraværet af den ønskede effekt inden for målefejlen.

Opnået ved at studere henfaldet af polarisatorer. neutron konstante værdier EN Og I givet os mulighed for at træffe et klart valg til fordel for V-A-version af teorien. En god test er forholdet 1+ A=B+a, som skal være opfyldt af data, hvis der er tale om en ren V-A-mulighed. De tilgængelige data udelukker dog endnu ikke (inden for grænserne for målefejl) tilstedeværelsen af skalar- eller tensortype-termer i Hamiltonian, men pålægger kun begrænsninger på konstanterne G tilsvarende svage 4-fermion-interaktioner: G S /G V<0,3 и G T /G A<0,15.

Eksperimentets art	Eksperimentel gruppe
1. Måling T 1/2	K. Christensen et al. (RISO, Danmark)
	P. E. Spivak og andre (IAE, USSR)	1.276b0.008
	G. Byrne et al. (Frankrig)
4. Konstante målinger EN	P. Dobrozemsky et al. (Seibersdorf, Østrig)