Завжди так: якщо радіє дощу садівник, то турист проклинає цю недоречно зливу, що вибухнула. Спекотно світить сонце - і знову комусь добре, а комусь і ні. На жаль, ідеалу на світі не буває, і потрапити на всіх неможливо.
До відкриття нейтрону фізики думали, що атомне ядро складається з протонів та електронів. Це дуже засмучувало теоретиків - у розрахунках не сходилися кінці з кінцями. Проте цілком спокійні були експериментатори, які вивчали радіоактивний бета-розпад ядер. Їм не доводилося ламати голову над тим, звідки беруться електрони.
Нейтрон своєю появою перевернув усе вгору дном. Тепер раділи теоретики, тому що нейтронно-протонна модель будови ядра ліквідувала всі їхні труднощі. Але радість гасла та тьмяніла від одного погляду у бік тих, хто займався дослідженням радіоактивності. Вони вимагали відповіді на одне-єдине, але надзвичайно важке питання: звідки беруться електрони при бета-розпаді ядер, якщо їх там немає?
Невже знову треба відмовитися від такої чудово простої картини будови ядра і зробити крок назад? Невже, побачивши нарешті ясні горизонти, знову занурюватися в страшну безодню незрозумілих фактів, що не узгоджуються один з одним?
Поставлене в упор питання: звідки ж у ядрі беруться електрони? - Змусив фізиків зробити величезний крок вперед. Можливо, не менш серйозний, ніж крок із визнанням електронів.
Двадцять три століття тому Демокріт наділив світ атомів властивістю неподільності, незмінності. Наприкінці XIX століття фізики зірвали цей ярлик з атомів і анітрохи не вагаючись переважили його на елементарні частинки! Дуже важко було фізикам уявити собі цеглини матерії без звичного спокійного та надійного ярлика.
Засновник квантової механіки У. Гейзенберг перший дозволив загадку ядра. Він припустив, що нейтрон в ядрі може іноді перетворюватися на протон плюс електрон та нейтрино. Протон залишається в ядрі, а інші частинки, що "виникають", залишають його. Зовні таке перетворення виглядає як радіоактивний бета-розпад.
Так ось звідки беруться електрони! Вперше дослідники мікросвіту відкрили взаємну перетворюваність елементарних частинок.
Нейтрон, як потім з'ясувалося, поза ядром живе не більше 12 хвилин, розпадаючись на протон, електрон і нейтрино. Зі вільним протоном нічого подібного не трапляється. Але в радіоактивному ядрі енергетична обстановка складається так, що навіть стабільний протон може перетворитися на нейтрон, позитрон та нейтрино. На ім'я елементарної частки - позитрон - цю подію у житті радіоактивного ядра стали називати позитронним розпадом.
Що це за нова частка - позитрон?
Вона і нова, і ніби вже давно знайома нам. Це точна копія електрона, лише із зворотним знаком електричного заряду. Здавалося б, і згадувати про неї нічого, якщо вона потрібна лише для кількох слів про позитронний розпад ядер.
Але немає. Частка ця грає особливу роль історії фізики елементарних частинок. Відкриття позитрона прочинило двері у світ античасток. Воно продемонструвало нам ще одну властивість матерії – її здатність перетворюватися з вагомої форми на форму енергії!
Все почалося з того, що в 1931 молодий фізик-теоретик Кембриджського університету Поль Дірак отримав рівняння, що описує рух електрона. Незабаром він виявив, що це рівняння має два рішення, тобто, крім електрона, воно придатне для опису ще однієї частинки. Виходило так, що ця частка повинна бути повністю аналогічна електрону, але з позитивним електричним зарядом.
У той час - а трапилося це понад сорок років тому - ніхто не чув про античастинки, а єдиною відомою фізикам частинкою з позитивним зарядом був протон. Але протон через велику масу не відповідав другому рішенню рівняння Дірака.
Спочатку здавалося, що це суто математичний курйоз. Але всі спроби виключити друге рішення ні до чого не спричинили. Одне з двох: чи то невірна теорія Дірака, чи то в природі існує позитивно заряджений електрон.
Пророцтво Дірака було настільки незвичайним, що навіть найбільші вчені далеко не відразу прийняли його. Ландау, наприклад, лише через три десятиліття заявив: "Хто сперечається, що Дірак за кілька років зробив для науки більше, ніж усі присутні в цій кімнаті за все своє життя?"
Через рік, у 1932 році, у космічних променях було виявлено позитрон. У камері Вільсона знайшли сліди частинок, які могли належати лише електрону, але із позитивним зарядом.
Під час дослідження космічних променів з допомогою камери Вільсона експериментатори використовували метод, запропонований ще 1927 року радянським фізиком Д. Скобельциным. Камера Вільсона містилася між полюсами електромагніту. Це давало можливість не тільки бачити слід елементарної частинки, але й з його викривлення в магнітному полі вимірювати енергію і визначати знак електричного заряду представниці мікросвіту, що пролетіла через камеру. На фотографіях, отриманих у камері Вільсона, було виразно видно, що сліди електрона та позитрону відхиляються у протилежні сторони.
Досвід підтвердив теорію. Двадцятивосьмирічний Поль Дірак поповнив список лауреатів Нобелівської премії.
Після відкриття позитрона постало питання: а чи не має кожна елементарна частка "антивіддзеркалення"? Експериментатори зайнялися пошуками антипротону у космічних променях. Електрон-позитронна пара нібито підтверджувала теорію Дірака. Але ні-ні та й закрадалася думка про виключення, зроблене природою саме для цих частинок.
"Інтервал часу між передбаченням антипротону та його спостереженням у 1955 році був надто великий, - говорив академік Я. Зельдович, - і в деяких теоретиків нерви не витримали - в останні роки з'явилися спроби побудувати теорію без антипротонів".
Лише через чверть століття після передбачення Дірака група американських учених під керівництвом Еміліо Сегре та Оуена Чемберлена виявила антипротон. А за рік знайшли і антинейтрон.
Вхопившись за позитронний кінець, фізики спочатку повільно, а потім усе швидше і швидше почали витягувати мережу з античастинками. І тепер ніхто вже не сумнівається в тому, що кожна елементарна частка має свою тінь - відповідну античастинку.
Вивчаючи сліди позитронів у камері Вільсона, фізики одразу ж виявили, що електрон та позитрон, зустрічаючись один з одним, взаємно "знищуються" - анігілюють.
За природу боятися не було чого - вона при цьому нічого не втрачала. Маса обох частинок перетворювалася на інший вид матерії - на енергію, кількість якої легко підрахувати за відомою формулою Альберта Ейнштейна Е = mc 2
"Цей результат новітньої фізики, - писав лауреат Нобелівської премії Макс Лауе, - є найбільш приголомшливим з усього, що будь-коли приносило розвиток природознавства".
Якими ж дивними виявилися елементарні цеглини матерії! Навіть такі стабільні частинки, як протон та електрон, могли "зникнути" разом зі своїми античастинками. Мимоволі закрадалася думка: як могли до нашого часу зберегтися древні породи, складені з такого неміцного матеріалу?
Але річ у тому, що елементарні частинки виявляють готовність до перетворень лише у специфічних умовах радіоактивних ядер і під час зустрічі з античастинками. У доступній для нас області світу стабільних ядер незмірно більше, ніж радіоактивних. А від анігіляції нас рятує відсутність у помітних кількостях античасток.
Слово «електрон» у перекладі з грецької означає "Бурштин".
Ще Фалес Мілетський (за 600 років до н.е.) зауважив, що якщо бурштин сильно потерти об тканину, він почне притягувати до себе легкі предмети. Досить довго вважалося, що така властивість має тільки бурштин. Однак те саме відбувається з предметами із пластмаси та інших синтетичних матеріалів. Ви легко можете спостерігати це явище з гребінцем і волоссям: після розчісування гребінець починає притягувати волосся (а саме розчесане волосся, зверніть увагу, починає відштовхуватися один від одного).
В основі описаних явищ лежить явище електрики . Воно полягає у взаємодії мікроскопічних частинок, що мають заряд - позитивний або негативний. Частинки, що мають однаковий заряд, відштовхуються, а частинки із протилежними зарядами притягуються. Електрони- це найдрібніші елементарні частинки, що мають електричний заряд. Ім'я електронам дав англієць Дж. Дж. Стоуні. Він запропонував називати так неподільну частинку заряду.
Як ви вже знаєте, всі речовини складаються з атомів – мікроскопічних частинок. Кожен атом, у свою чергу, складається з ядра та оболонки. Ядро утворене протонами та нейтронами, а ось оболонка складається з електронів, і тому називається електронною хмарою.
Електричний заряд є не тільки у електронів, а й у протонів (нейтрони електрично нейтральні, як і каже їхня назва). В атомі електрони притягуються до ядра, тому що у нього позитивний заряд за рахунок протонів, а у електронів - негативний. Але, незважаючи на ці властивості, електрони з ядром повністю не з'єднуються, оскільки знаходяться у постійному русі. А сам атом повністю є електрично нейтральним, тому що в атомі число протонів дорівнює кількості електронів.
У металах частина електронів не пов'язана з атомами та може вільно переміщатися. Спрямований рух цих електронів зумовлює явище, без якого ми навряд чи можемо уявити собі наше життя - електричний струм. Тому метали називають провідниками : вони можуть проводитиелектричний струм. Речовини, які не можуть проводити струм, називають ізоляторами , або діелектриками .
Повернемося до початку нашої розповіді та відповімо на запитання: чому ж електризується бурштин? Насамперед, зверніть увагу, що тертям можна наелектризувати лише ізолятори. При терті двох тіл частина електронів переходить із одного тіла інше. В результаті тіла знаходять протилежні заряди. Наелектризувати тертям можна лише ізолятори, тому що тільки в цих тілах електрони, які перебралися з одного тіла на інше, залишаються там, куди вони потрапили. У провідниках вони починають вільно переміщатися.
Як ви вже, мабуть, здогадуєтеся, сумарний заряд пари тіл, які терли одне одного, дорівнює нулю, тобто така пара електрично нейтральна.
Бурштин електризується тертям дуже легко, так само як ебоніт, скло або котяче хутро.
Електрика(Від грец. elektron – бурштин, тому що бурштин притягує легкі тіла), або струм почали використовувати тільки в 1800 році, коли італійський фізик Алессандро Джузеппе Антоніо Анастасіо Вольтавинайшов першу у світі батарею і цим дав перше надійне постійне джерело електроенергії.
А як виникає електрика?
Все навколо складається і малесеньких частинок, які не видно людському оку – атомів. Атом складається з дрібніших частинок: у центрі – ядро, а навколо нього обертаються електрони. Ядро складається з нейронів та протонів. Електрони, що обертаються навколо ядра, мають негативний заряд (-), а протони, що знаходяться в ядрі, – позитивний (+). Зазвичай кількість електронів у атомі збігається з кількістю протонів у ядрі, тому атом немає заряду – він нейтральний.
Бувають такі атоми, які можуть не вистачати одного електрона. Вони мають позитивний заряд (+) та починають притягувати електрони (-) з інших атомів. І в цих інших атомах електрони злітають зі своїх орбіт, змінюють траєкторію руху. Рух електронів від одного атома до іншого призводить до утворення енергії. Ця енергія і називається електрикою.
А звідки береться електрика у наших будинках?
Ми отримуємо електрику завдяки великим електростанціям. На електростанціях є генератори – величезні машини, які працюють від джерела енергії. Зазвичай джерело – це теплова енергія, яку одержують при нагріванні води (пар). А для нагрівання води використовують вугілля, нафту, природний газ чи ядерне паливо. Пара, що утворюється при нагріванні води, приводить у дію величезні лопаті турбіни, а ті, у свою чергу, запускають генератор.
Енергію можна отримати, використовуючи силу води, що падає з великої висоти: з гребель або водоспадів (гідроенергетика).
Як джерело живлення для генераторів можна використовувати силу вітру або тепло Сонця, але до них вдаються не часто.
Далі працюючий генератор за допомогою величезного магніту створює потік електричних зарядів (струм), який проходить мідними проводами. Щоб передавати електроенергію на великі відстані, необхідно збільшити напругу. Для цього використовують трансформатор – пристрій, який може підвищувати та знижувати напругу. Тепер електрика з великою потужністю (до 10000 вольт і більше) величезними кабелями, які знаходяться глибоко під землею або високо в повітрі, рухається до місця призначення. Перед тим, як потрапити до квартир та будинків, електрика проходить через інший трансформатор, який знижує його напругу. Тепер готова до використання електрика рухається проводами до необхідних об'єктів. Кількість використаної електрики регулюється спеціальними лічильниками, які прикріплюються до проводів, які прокладені через стіни та підлоги. підводять електрику в кожну 
кімнату будинку чи квартири. Завдяки електриці працює освітлення та телебачення, різні побутові прилади.
Якщо Вам необхідна допомога при вирішенні завдань з фізики або математики, репетитори онлайн завжди готові Вам допомогти. У будь-який час та в будь-якому місці учень може звернутися за допомогою до онлайн-репетитора та отримати консультацію з будь-якого предмета шкільної програми. Навчання відбувається за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення. Кваліфіковані педагоги надають допомогу у виконанні домашніх завдань, поясненні незрозумілого матеріалу; допомагають підготуватися до ДІА та ЄДІ. Учень вибирає сам, проводити заняття з вибраним репетитором протягом тривалого часу, або використовувати допомогу педагога лише у конкретних ситуаціях, коли виникають складнощі з певним завданням.
сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.
Кікоїн А.К. Дві загадки бета-розпаду / / Квант. – 1985. – № 5. – С. 30-31, 34.
За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"
Як відомо, природний бета-радіоактивний розпад полягає в тому, що ядра атомів одного елемента мимоволі випускають бета-частинки, тобто електрони, і при цьому перетворюються на ядра іншого елемента з атомним номером на одиницю більшим, але з колишньою масою («Фізика 10 », § 103). Символічно це перетворення записується так:
\(~^M_ZX \to \^M_(Z+1)Y +\^0_(-1)e\) .
Тут X- Вихідне ядро, Y- продукт розпаду, е- електрон (верхній індекс "0" показує, що маса електрона в порівнянні з атомною одиницею маси дуже мала).
Ретельне вивчення бета-розпаду показало, що це таїть у собі дві загадки.
Загадка перша: «зникнення» енергії
Якщо ядро Xмимоволі перетворюється на ядро Y, то це означає, що енергія W X ядра Xбільше, ніж енергія W Y ядра Y. А енергія бета-частки, що вилітає при цьому, повинна дорівнювати різниці енергій W X - W Y (якщо знехтувати енергією віддачі).
Оскільки всі вихідні ядра Xоднакові, так само як і однакові ядра, що виходять з них. Y, всі бета-частки, що вилітають, повинні мати одну і ту ж енергію. Досліди ж показують, що енергія практично всіх бета-часток менша, ніж різниця енергій W X - W Y. Точніше: β -частки мають різні енергії, і всі вони лежать у межах від нуля до максимального значення, що дорівнює W X - W Y. Наприклад, для бета-частинок, що випускаються ядрами \(~\ ^(210)_(83)Bi\) (період напіврозпаду 5 днів), максимальне значення енергії близько 1 МеВ, а середня енергія, що припадає на частку однієї частки, менше ніж 0,4 МеВ.
Складалося враження, що бета-розпад - це процес, в якому, порушуючи закон збереження енергії, енергія зникає безвісти. Деякі фізики схильні були думати, що закон збереження енергії, безумовно вірний у світі макроскопічних процесів, є «необов'язковим» для деяких процесів, пов'язаних з елементарними частинками. До цієї думки (про можливість порушення закону збереження енергії) схилявся навіть такий фізик, як Нільс Бор. Висловлювалися й інші думки, що можливо знайдуться процеси, за яких енергія не пропадає безвісти (як у випадку бета-розпаду), а навпаки виникає з нічого.
Нейтріно
Закон збереження енергії був, однак, «врятований» швейцарським фізиком-теоретиком Вольфгангом Паулі. У 1930 році він висловив припущення, що при бета-розпаді з ядра вилітає не тільки електрон, а й ще одна частка, на частку якої і доводиться енергія, що бракує. Але чому ця частка ніяк не виявляє себе: не іонізує газ, як це робить електрон; її енергія при зіткненнях з атомами не переходить у тепло тощо? Паулі пояснював це тим, що придумана їм частка електрично нейтральна і не має маси спокою.
Дуже дивною здавалася ця частка, якою італійський фізик Енрі ко Фермі дав ім'я – нейтрино. Усе призначення нейтрино полягало у тому, щоб «врятувати» закон збереження енергії. З такими частками фізикам мати справу ще не доводилося. Тим не менш, ідея Паулі про нову частинку швидко отримала загальне визнання. Радянський фізик A.І. Лейпунський вже 1936 року вигадав спосіб її виявлення. Однак остаточно її реальне існування було доведено лише у 1956 році, майже через 26 років після того, як вона «народилася» у мозку фізика з багатою уявою – В. Паулі.
Загадка друга: звідки беруться електрони?
Ця загадка бета-розпаду (її можна було б поставити і на перше місце) полягала ось у чому.
Як відомо («Фізика 10», § 107), атомні ядра всіх елементів складаються лише з протонів та нейтронів. Як же з ядер можуть вилітати електрони, яких там немає, та нейтрино, яких там теж немає?
Пояснити цей дивовижний факт (з ядра вилітає те, чого там немає) можна лише тим, що частинки - протони і нейтрони, що утворюють ядро, здатні взаємно перетворюватися одна на одну. Зокрема, бета-розпад полягає в тому, що один з нейтронів, що входять до ядра радіоактивного елемента, перетворюється на протон.
При цьому в ядрі виявляється одним протоном більше, ніж було, а загальна кількість часток залишається тим самим. Просто один із нейтронів став протоном. Але якби справа тільки тим і обмежилася, було б порушено закон збереження електричного заряду. Природа таких процесів не припускає! Так от, виявляється, що разом з перетворенням нейтрону в протон в ядрі народжуються електрон, негативний заряд якого компенсує позитивний заряд протона, що з'явився, і нейтрино, яке забирає певну частку енергії. Таким чином, при бета-розпаді в ядрі відбувається перетворення одного з нейтронів на протон і народження двох частинок - електрона та нейтрино. Протон залишається в ядрі, електрон і нейтрино, яким в ядрі бути «не належить», вилітають з нього.
Зауважимо, що процес бета-радіоактивного розпаду дещо нагадує процес випромінювання світлового кванта (фотону). Бета-частка і нейтрино народжуються в момент переходу ядра з одного стану в інший, аналогічно тому, що фотон випускається атомом при переході електрона, що входить до складу електронної оболонки атома, з одного енергетичного рівня на інший.