Zawsze tak jest: jeśli ogrodnik cieszy się z deszczu, turysta przeklina tę nieodpowiednią ulewę. Słońce mocno świeci – i znowu niektórzy ludzie czują się dobrze, a inni nie. Niestety, nie ma ideału na świecie i nie da się zadowolić wszystkich.
Przed odkryciem neutronu fizycy sądzili, że jądro atomowe składa się z protonów i elektronów. To bardzo zdenerwowało teoretyków - ich obliczenia nie wiązały końca z końcem. Ale eksperymentatorzy badający radioaktywny rozpad beta jąder byli całkowicie spokojni. Nie musieli się martwić, skąd pochodzą elektrony.
Pojawienie się neutronu wywróciło wszystko do góry nogami. Teraz teoretycy byli zachwyceni, ponieważ model struktury jądra neutronowo-protonowy wyeliminował wszystkie ich trudności. Ale radość malała i malała od jednego spojrzenia na tych, którzy zajmowali się badaniem radioaktywności. Zażądali odpowiedzi na jedno, ale niezwykle trudne pytanie: skąd biorą się elektrony podczas rozpadu beta jąder, jeśli ich tam nie ma?
Czy naprawdę trzeba ponownie porzucić tak cudownie prosty obraz budowy jądra i cofnąć się o krok? Czy naprawdę możliwe jest, ujrzawszy wreszcie jasne horyzonty, ponownie zanurzyć się w przerażającą otchłań niezrozumiałych, nie zgadzających się ze sobą faktów?
Pytanie postawione wprost brzmi: skąd biorą się elektrony w jądrze? - zmusiło fizyków do zrobienia ogromnego kroku naprzód. Być może nie mniej poważny niż krok z rozpoznaniem elektronów.
Dwadzieścia trzy wieki temu Demokryt nadał światu atomów właściwość niepodzielności i niezmienności. Już pod koniec XIX wieku fizycy zerwali tę etykietę z atomami i bez wahania nanieśli ją na cząstki elementarne! Fizykom bardzo trudno było wyobrazić sobie cegły materii bez zwykłej, spokojnej i niezawodnej etykiety.
Założyciel mechaniki kwantowej W. Heisenberg jako pierwszy rozwiązał zagadkę jądra. Zasugerował, że neutron w jądrze może czasami zamienić się w proton, elektron i neutrino. Proton pozostaje w jądrze, a pozostałe „powstające” cząstki go opuszczają. Zewnętrznie ta przemiana wygląda jak radioaktywny rozpad beta.
A więc to stąd pochodzą elektrony! Po raz pierwszy badacze mikroświata odkryli wzajemną wymienialność cząstek elementarnych.
Neutron, jak się później okazało, żyje poza jądrem nie dłużej niż 12 minut, rozpadając się na proton, elektron i neutrino. Nic takiego nie dzieje się w przypadku wolnego protonu. Ale w jądrze radioaktywnym sytuacja energetyczna jest taka, że nawet stabilny proton może zamienić się w neutron, pozyton i neutrino. Od nazwy cząstki elementarnej – pozytonu – to wydarzenie w życiu jądra promieniotwórczego zaczęto nazywać rozpadem pozytonu.
Czym jest ta nowa cząstka – pozyton?
Jest to zarazem nowe i jakby znane nam od dawna. Jest to dokładna kopia elektronu, tylko z przeciwnym znakiem ładunku elektrycznego. Wydawać by się mogło, że nie ma co o tym wspominać, gdyby wystarczyło kilka słów o rozpadzie pozytonów w jądrach.
Ale nie. Cząstka ta odgrywa szczególną rolę w historii fizyki cząstek elementarnych. Odkrycie pozytonu otworzyło drzwi do świata antycząstek. Pokazało nam kolejną właściwość materii - jej zdolność do przemiany z formy ciężkiej w formę energii!
Wszystko zaczęło się, gdy w 1931 roku młody fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Cambridge, Paul Dirac, uzyskał równanie opisujące ruch elektronu. Wkrótce odkrył, że równanie to ma dwa rozwiązania, czyli oprócz elektronu nadaje się do opisu jeszcze jednej cząstki. Okazało się, że cząstka ta powinna być całkowicie podobna do elektronu, ale z dodatnim ładunkiem elektrycznym.
W tamtym czasie – a miało to miejsce ponad czterdzieści lat temu – nikt nie słyszał o antycząstkach, a jedyną znaną fizykom cząstką o ładunku dodatnim był proton. Jednak proton ze względu na swoją dużą masę nie odpowiedział na drugie rozwiązanie równania Diraca.
W pierwszej chwili wydawało się, że jest to ciekawostka czysto matematyczna. Jednak wszelkie próby wykluczenia drugiego rozwiązania nie dały żadnego rezultatu. Jedna z dwóch rzeczy: albo teoria Diraca jest błędna, albo w przyrodzie istnieje dodatnio naładowany elektron.
Przewidywania Diraca były tak niezwykłe, że nawet najwięksi naukowcy nie od razu je zaakceptowali. Na przykład Landau zaledwie trzydzieści lat później stwierdził: „Któż może argumentować, że Dirac w ciągu kilku lat zrobił dla nauki więcej niż wszyscy obecni na tej sali przez całe życie?”
Rok później, w 1932 roku, w promieniach kosmicznych odkryto pozyton. W komorze chmurowej znaleźli ślady cząstek, które mogły należeć wyłącznie do elektronu, ale z ładunkiem dodatnim.
Badając promienie kosmiczne za pomocą komory chmurowej, eksperymentatorzy zastosowali metodę zaproponowaną w 1927 roku przez radzieckiego fizyka D. Skobelcyna. Pomiędzy biegunami elektromagnesu umieszczono komorę chmurową. Umożliwiło to nie tylko dostrzeżenie śladu cząstki elementarnej, ale także zmierzenie energii na podstawie jej krzywizny w polu magnetycznym oraz określenie znaku ładunku elektrycznego przedstawiciela mikroświata przelatującego przez komorę. Na zdjęciach wykonanych w komorze chmurowej wyraźnie widać było, że ślady elektronu i pozytonu zostały odchylone w przeciwne strony.
Doświadczenie potwierdziło teorię. Dwudziestoośmioletni Paul Dirac dołączył do grona laureatów Nagrody Nobla.
Po odkryciu pozytonu pojawiło się pytanie: czy każda cząstka elementarna nie posiada „antyodbić”? Eksperymentatorzy rozpoczęli poszukiwania antyprotonu w promieniowaniu kosmicznym. Para elektron-pozyton rzekomo potwierdziła teorię Diraca. Ale nie, nie, i wkradła się myśl o wyjątku stworzonym przez naturę specjalnie dla tych cząstek.
„Odstęp czasowy między przewidywaniem antyprotonu a jego obserwacją w 1955 r. był zbyt długi” – stwierdził akademik Ya Zeldovich – „i nerwy niektórych teoretyków nie mogły tego znieść - w ostatnich latach podejmowano próby zbudowania teorii bez antyprotony.”
Zaledwie ćwierć wieku po przewidywaniach Diraca grupa amerykańskich naukowców pod przewodnictwem Emilio Segre i Owena Chamberlaina odkryła antyproton. A rok później znaleźli antyneutron.
Chwytając koniec pozytonów, fizycy najpierw powoli, a potem coraz szybciej zaczęli wyciągać siatkę z antycząstkami. I teraz nikt nie wątpi, że każda cząstka elementarna ma swój własny cień - odpowiednią antycząstkę.
Badając ślady pozytonów w komorze chmurowej, fizycy natychmiast odkryli, że spotykając się elektron i pozyton, ulegają wzajemnemu „zniszczeniu” - anihilacji.
O przyrodę nie było się czego bać - ona nic nie straciła. Masa obu cząstek została przekształcona w inny rodzaj materii - w energię, której ilość można łatwo obliczyć korzystając ze znanego wzoru Alberta Einsteina E = mc 2
„Ten wynik współczesnej fizyki” – napisał laureat Nagrody Nobla Max Laue – „jest najbardziej oszałamiającym ze wszystkiego, co kiedykolwiek przyniósł rozwój nauk przyrodniczych”.
Jakże dziwne okazały się elementarne cegły materii! Nawet tak stabilne cząstki jak proton i elektron mogą „zniknąć” wraz ze swoimi antycząstkami. Mimowolnie wkradła się myśl: jak starożytne skały wykonane z tak delikatnego materiału mogły przetrwać do naszych czasów?
Rzecz jednak w tym, że cząstki elementarne wykazują gotowość do przemian dopiero w określonych warunkach jąder promieniotwórczych i przy spotkaniu z antycząstkami. W dostępnym nam obszarze świata znajduje się nieporównywalnie więcej jąder stabilnych niż radioaktywnych. A przed anihilacją ratuje nas brak antycząstek w zauważalnych ilościach.
Słowo „elektron” po grecku oznacza "bursztyn".
Tales z Miletu (600 r. p.n.e.) zauważył, że jeśli bursztyn zostanie mocno potarty o szmatkę, zacznie przyciągać jasne przedmioty. Przez długi czas uważano, że tę właściwość posiada tylko bursztyn. To samo dzieje się jednak z przedmiotami wykonanymi z tworzyw sztucznych i innych materiałów syntetycznych. Zjawisko to można łatwo zaobserwować za pomocą grzebienia i włosów: po czesaniu grzebień zaczyna przyciągać włosy (a same czesane włosy, uwaga, zaczynają się odpychać).
Opisane zjawiska opierają się na zjawisku Elektryczność . Polega na oddziaływaniu mikroskopijnych cząstek z ładunkiem - dodatnim lub ujemnym. Cząstki o tym samym ładunku odpychają się, a cząstki o przeciwnych ładunkach przyciągają się. Elektrony- Są to najmniejsze cząstki elementarne posiadające ładunek elektryczny. Nazwę elektrony nadał Anglik J. J. Stoney. Zaproponował, aby w ten sposób nazwać niepodzielną cząstkę ładunku.
Jak już wiesz, wszystkie substancje składają się z atomów - mikroskopijnych cząstek. Z kolei każdy atom składa się z rdzenia i powłoki. Rdzeń tworzą protony i neutrony, ale powłoka składa się z elektronów i dlatego nazywa się ją Chmura elektronowa.
Nie tylko elektrony mają ładunek elektryczny, ale także protony (neutrony są elektrycznie obojętne, jak sugeruje ich nazwa). W atomie elektrony są przyciągane do jądra, ponieważ ma ono ładunek dodatni ze względu na ładunek protonów, podczas gdy elektrony mają ładunek ujemny. Ale pomimo tych właściwości elektrony nie łączą się całkowicie z jądrem, ponieważ są w ciągłym ruchu. A sam atom jest całkowicie elektrycznie obojętny, ponieważ w atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów.
W metalach niektóre elektrony nie są związane z atomami i mogą się swobodnie poruszać. Ukierunkowany ruch tych elektronów powoduje zjawisko, bez którego trudno sobie wyobrazić nasze życie – prąd elektryczny. Dlatego nazywa się metale dyrygenci : mogą prowadzić Elektryczność. Substancje, które nie mogą przewodzić prądu, nazywane są substancjami izolatory , Lub dielektryki .
Wróćmy do początku naszej historii i odpowiedzmy sobie na pytanie: dlaczego bursztyn jest naelektryzowany? Przede wszystkim należy pamiętać, że tylko izolatory mogą być elektryzowane przez tarcie. Kiedy dwa ciała ocierają się o siebie, część elektronów przenosi się z jednego ciała na drugie. W rezultacie ciała uzyskują przeciwne ładunki. Tylko izolatory mogą zostać naelektryzowane poprzez tarcie, ponieważ tylko w tych ciałach elektrony przemieszczające się z jednego ciała do drugiego pozostają tam, gdzie trafiły. Zaczynają się swobodnie poruszać w przewodnikach.
Jak już zapewne się domyślacie, całkowity ładunek pary ciał, które ocierały się o siebie, jest równy zeru, czyli taki pływający elektrycznie neutralny.
Bursztyn bardzo łatwo ulega elektryzowaniu poprzez tarcie, podobnie jak ebonit, szkło czy kocie futro.
Elektryczność(z greckiego elektron – bursztyn, gdyż bursztyn przyciąga ciała świetlne) lub prąd zaczęto stosować dopiero w 1800 roku, kiedy włoski fizyk Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta wynalazł pierwszą na świecie baterię i tym samym zapewnił pierwsze niezawodne, stałe źródło energii elektrycznej.
Jak powstaje prąd?
Wszystko wokół nas składa się z drobnych, niewidocznych dla ludzkiego oka cząstek – atomów. Atom składa się z mniejszych cząstek: w środku znajduje się jądro, a wokół niego krążą elektrony. Jądro składa się z neuronów i protonów. Elektrony krążące wokół jądra mają ładunek ujemny (-), a protony znajdujące się w jądrze mają ładunek dodatni (+). Zwykle liczba elektronów w atomie pokrywa się z liczbą protonów w jądrze, zatem atom nie ma ładunku - jest obojętny.
Są atomy, którym może brakować jednego elektronu. Mają ładunek dodatni (+) i zaczynają przyciągać elektrony (-) z innych atomów. W pozostałych atomach elektrony wylatują ze swoich orbit i zmieniają trajektorię. Ruch elektronów z jednego atomu na drugi wytwarza energię. Energia ta nazywana jest elektrycznością.
Skąd bierze się prąd w naszych domach?
Energię elektryczną pozyskujemy z dużych elektrowni. Elektrownie mają generatory – duże maszyny zasilane ze źródła energii. Zazwyczaj źródłem jest energia cieplna, którą uzyskuje się poprzez podgrzanie wody (pary). A do podgrzewania wody wykorzystuje się węgiel, ropę naftową, gaz ziemny lub paliwo nuklearne. Para powstająca podczas podgrzewania wody napędza ogromne łopatki turbiny, które z kolei uruchamiają generator.
Energię można pozyskać wykorzystując siłę wody spadającej z dużych wysokości: z zapór lub wodospadów (energia wodna).
Energię wiatru lub energię słoneczną można wykorzystać jako źródło zasilania generatorów, ale nie są one wykorzystywane często.
Następnie działający generator za pomocą ogromnego magnesu wytwarza przepływ ładunków elektrycznych (prądu), który przechodzi przez miedziane druty. Aby przesyłać energię elektryczną na duże odległości, należy zwiększyć napięcie. Aby to zrobić, stosuje się transformator - urządzenie, które może zwiększać i zmniejszać napięcie. Teraz prąd o dużej mocy (do 10 000 woltów i więcej) przesyłany jest ogromnymi kablami ułożonymi głęboko pod ziemią lub wysoko w powietrzu do miejsca przeznaczenia. Przed wejściem do mieszkań i domów prąd przechodzi przez inny transformator, który obniża jego napięcie. Teraz gotowy do użycia prąd przesyłany jest przewodami do niezbędnych obiektów. Ilość zużywanej energii elektrycznej regulują specjalne liczniki, które mocowane są do przewodów przebiegających przez ściany i podłogi. dostarczają każdemu prąd 
pokój w domu lub mieszkaniu. Energia elektryczna zasila oświetlenie, telewizor i różne urządzenia gospodarstwa domowego.
Jeśli potrzebujesz pomocy w rozwiązywaniu problemów z fizyki lub matematyki, korepetytorzy online są zawsze gotowi Ci pomóc. W dowolnym miejscu i czasie uczeń może zwrócić się do korepetytora on-line z prośbą o pomoc i poradę dotyczącą dowolnego przedmiotu szkolnego. Szkolenie odbywa się poprzez specjalnie opracowane oprogramowanie. Wykwalifikowani nauczyciele służą pomocą w odrabianiu zadań domowych i tłumaczeniu niezrozumiałego materiału; pomóc przygotować się do egzaminu państwowego i jednolitego egzaminu państwowego. Uczeń sam wybiera, czy będzie prowadzić zajęcia z wybranym korepetytorem przez dłuższy czas, czy też będzie korzystał z pomocy nauczyciela tylko w określonych sytuacjach, gdy pojawią się trudności z konkretnym zadaniem.
stronie internetowej, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do źródła.
Kikoin A.K. Dwie tajemnice rozpadu beta // Quantum. - 1985. - nr 5. - s. 30-31, 34.
Na podstawie specjalnego porozumienia z redakcją i redakcją czasopisma „Kvant”
Jak wiadomo, naturalny rozpad beta-radioaktywny polega na tym, że jądra atomów jednego pierwiastka samorzutnie emitują cząstki beta, czyli elektrony, i jednocześnie zamieniają się w jądra innego pierwiastka o liczbie atomowej o jeden większej, ale o tej samej masie („Fizyka 10”, § 103). Symbolicznie tę transformację zapisuje się w następujący sposób:
\(~^M_ZX \to \ ^M_(Z+1)Y +\ ^0_(-1)e\) .
Tutaj X- oryginalny rdzeń, Y- produkt rozkładu, mi- elektron (indeks górny „0” oznacza, że masa elektronu w porównaniu z jednostką masy atomowej jest bardzo mała).
Dokładne badanie rozpadu beta wykazało, że zjawisko to skrywa dwie tajemnice.
Zagadka pierwsza: „utrata” energii
Jeśli rdzeń X samoistnie przekształca się w jądro Y, oznacza to, że energia W Rdzenie X X więcej niż energia W Rdzeń Y Y. A energia emitowanej cząstki beta powinna w tym przypadku być równa różnicy energii W X- W Y (jeśli pominiemy energię odrzutu).
Ponieważ wszystkie oryginalne jądra X są takie same, a także wszystkie powstałe jądra są takie same Y, wszystkie wyemitowane cząstki beta muszą mieć tę samą energię. Eksperymenty pokazują, że energia prawie wszystkich cząstek beta jest mniejsza niż różnica energii W X- W Y. Dokładniej: β -cząstki mają różne energie i wszystkie wahają się od zera do maksymalnej wartości równej W X- W Y. Na przykład dla cząstek beta emitowanych przez jądra \(~\ ^(210)_(83)Bi\) (okres półtrwania 5 dni) maksymalna wartość energii wynosi około 1 MeV, a średnia energia na cząstkę jest mniejsza niż 0,4 MeV.
Wydawało się, że rozpad beta to proces, w którym z naruszeniem prawa zachowania energii energia znika bez śladu. Niektórzy fizycy byli skłonni sądzić, że prawo zachowania energii, które z pewnością obowiązuje w świecie procesów makroskopowych, „nie jest konieczne” w przypadku niektórych procesów związanych z cząstkami elementarnymi. Nawet taki fizyk jak Niels Bohr był skłonny do tego pomysłu (o możliwości naruszenia prawa zachowania energii). Wyrażano także inne opinie, że mogą zaistnieć procesy, w których energia nie znika bez śladu (jak w przypadku rozpadu beta), ale pojawia się znikąd.
Neutrino
Prawo zachowania energii zostało jednak „uratowane” przez szwajcarskiego fizyka teoretycznego Wolfganga Pauli. W 1930 roku zasugerował, że podczas rozpadu beta z jądra emitowany jest nie tylko elektron, ale także inna cząstka, która odpowiada za brakującą energię. Ale dlaczego ta cząstka nie ujawnia się w żaden sposób: nie jonizuje gazu jak elektron; jego energia podczas zderzeń z atomami nie zamienia się w ciepło itp.? Pauli wyjaśnił to, mówiąc, że wynaleziona przez niego cząstka jest elektrycznie obojętna i nie ma masy spoczynkowej.
Cząstka ta, której włoski fizyk Enri Co Fermi nadał nazwę neutrino, wydawała się bardzo dziwna. Celem neutrina było „uratowanie” prawa zachowania energii. Fizycy nigdy wcześniej nie mieli do czynienia z takimi cząstkami. Niemniej jednak pomysł Pauliego dotyczący nowej cząstki szybko zyskał powszechną akceptację. Radziecki fizyk A.I. Leypunsky już w 1936 roku wymyślił sposób na jego wykrycie. Jednak jego prawdziwe istnienie zostało ostatecznie udowodnione dopiero w 1956 roku, prawie 26 lat po tym, jak „narodził się” w mózgu obdarzonego wyobraźnią fizyka B. Pauli.
Zagadka druga: skąd się biorą elektrony?
Na tym polegała ta tajemnica rozpadu beta (można ją postawić na pierwszym miejscu).
Jak wiadomo („Fizyka 10”, § 107), jądra atomowe wszystkich pierwiastków składają się wyłącznie z protonów i neutronów. Jak elektrony, których nie ma, i neutrina, których też nie ma, mogą wylatywać z jąder?
Ten zdumiewający fakt (coś, czego nie ma, wylatuje z jądra) można wytłumaczyć jedynie faktem, że cząstki - protony i neutrony tworzące jądro - są zdolne do wzajemnego przekształcania się w siebie. W szczególności rozpad beta ma miejsce, gdy jeden z neutronów wchodzących do jądra pierwiastka promieniotwórczego zamienia się w proton.
W tym przypadku w jądrze jest o jeden proton więcej niż było, a całkowita liczba cząstek pozostaje taka sama. Tylko jeden z neutronów stał się protonem. Gdyby jednak ograniczyć się do tego, naruszone byłoby prawo zachowania ładunku elektrycznego. Natura nie pozwala na takie procesy! Okazuje się więc, że wraz z przemianą neutronu w proton w jądrze rodzi się elektron, którego ładunek ujemny kompensuje ładunek dodatni powstającego protonu, oraz neutrino, które zabiera pewną ilość energii. Zatem podczas rozpadu beta w jądrze jeden z neutronów przekształca się w proton i narodziny dwóch cząstek - elektronu i neutrina. Proton pozostaje w jądrze, ale elektron i neutrino, które „nie powinny znajdować się w jądrze”, wylatują z niego.
Należy pamiętać, że proces rozpadu beta promieniotwórczego przypomina nieco proces emisji kwantu światła (fotonu). Cząstka beta i neutrino powstają w momencie przejścia jądra z jednego stanu do drugiego, podobnie jak foton jest emitowany przez atom, gdy elektron będący częścią powłoki elektronowej atomu przechodzi z jednego poziom energii na inny.