Айзек Азимов - Нейтрино - призрачная частица атома
P+15 → Si+14 + 'e+.
Электрический заряд снова сохраняется, так как 14 + 1 = 15.
Какие же процессы внутри ядра приводят к излучению позитрона? Массовые числа кремния-30 и фосфора-30 одинаковы, так что общее число нуклонов до быть в обоих случаях одним и тем же. С другой стороны, атомный номер ядра кремния-30 на единицу меньше, чем фосфора-30, следовательно, ядро кремния-30 содержит на один протон меньше, чем ядро фосфора-30. Чтобы уменьшить число протонов на единицу, не изменяя общего числа нуклонов, надо одновременно добавить один нейтрон. Другими словами, позитрон излучается тогда, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон. При этом атомный номер уменьшается на единицу а массовое число остается неизменным. Процесс прямо противоположен тому, который приводит к излучению электрона, когда нейтрон превращается в протон. Но этого и следовало ожидать, так как позитрон является как бы зеркальным отображением электрона и все происходящее с ним является отображением событий, происходящих с электроном.
С другой стороны, протон легче нейтрона, поэтому неудивительно, что именно нейтрон спонтанно превращается в протон, так как спонтанные превращения всегда сопровождаются уменьшением массы. Но как же тогда протон спонтанно превращается в нейтрон и испускает позитрон?
Действительно, протон легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, происходят изменения энергии, которые слегка меняют массу отдельных нуклонов. Иногда масса ядра уменьшается, если протон превращается в нейтрон, а иногда, если нейтрон заменяется протоном, изменение массы всецело зависит от строения ядра. В первом случае излучаются позитроны, а во втором — электроны, Конечно, имеются ядра, обладающие при данном числе нуклонов комбинацией нейтронов и протонов, при которой масса минимальна. Тогда превращение протона нейтрон или нейтрона в протон увеличивает массу. Такие ядра не претерпевают никаких спонтанных превращений, они стабильны, если это не тяжелые ядра, которые излучают α-частицы.
Еще раз напомним, что свободные нейтроны могут спонтанно превратиться в протоны, обратное же превращение невозможно.
Позитрон, как и электрон, — стабильная частица. Насколько нам известно, сам по себе он никогда не изменяется, так как позитрон — самая легкая частица, несущая положительный электрический заряд. Стабильность ее является выражением закона сохранения электрического заряда. Однако позитрон существует во Вселенной, состоящей из бесчисленного множества других частиц, в том числе электронов. В обычных условиях позитрон сталкивается с электроном через одну миллионную секунды, а когда частица встречает свою античастицу, обе перестают существовать.
Нечто подобное происходит в том случае, когда деревянная пробка вставляется в отверстие в деревянной поверхности, к которому она точно подогнана, — в «антипробку». Пробка и «антипробка» исчезают, а вместо них появляется гладкая деревянная поверхность, При слиянии позитрона и электрона выполняются различные законы сохранения. Если частицы, двигаясь с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, сталкиваются «в лоб», два импульса, складываясь, дают нуль. Если электрон имеет спин -1/2, а позитрон +1/2, суммарный спин системы тоже нуль. Электрон имеет заряд -1, а позитрон +1, следовательно, общий электрический заряд двух частиц равен нулю. Кажется, что происходит полная аннигиляция (уничтожение).
А что происходит с энергией, которая не существует в положительной или отрицательной форме и которая, следовательно, в сумме никогда не равна нулю? После аннигиляции электрона и позитрона энергия, связанная с их массой и движением, должна продолжать существовать в той или иной форме. Оказывается, обе частицы превращаются в фотоны. Энергия, эквивалентная массе электрона, равна 0,51 Мэв. Но позитрон имеет такую же массу, поэтому энергия, эквивалентная общей массе, равна 1,02 Мэв. Следовательно, каждый раз, когда пара позитрон — электрон аннигилирует, должна освобождаться энергия 1,02 Мэв. Экспериментальная проверка энергетического баланса при аннигиляции явилась превосходным подтверждением справедливости закона сохранения энергии для процессов, происходящих в субатомном мире.
Какие же фотоны возникают при аннигиляции пары электрон — позитрон? Фотоны не имеют заряда, но они должны иметь импульс и момент количества движения. Если бы возникал один фотон, должны были бы возникнуть импульс и момент количества движения, а это невозможно в силу закона сохранения. В действительности возникают два разлетающихся в противоположных направлениях фотона, каждый из которых уносит энергию 0,51 Мэв, поэтому их суммарный импульс равен нулю. Один фотон имеет спин +1, другой -1, так что суммарный момент количества движения тоже равен нулю.
Если суммарный импульс или момент количества движения электрона и позитрона до аннигиляции отличны от нуля, они сохранятся и после аннигиляции. Предположим, каждая из частиц имеет спин +1/2, следовательно, суммарный спин равен +1. Если бы система обладала импульсом, то мог бы возникнуть один фотон со спином +1. Когда же суммарный импульс системы равен нулю, закон сохранения импульса и момента количества движения будет выполнен, если возникнут три фотона энергией 0,34 Мэв каждый, разлетающихся по направлению трех вершин равностороннего треугольника. При этом суммарный импульс трех фотонов равен нулю, а суммарный спин +1, если спины фотонов равны +1, +1, -1 соответственно.
Превращение электрон-позитронной пары в фотоны γ-излучения можно записать следующим образом:
e- + 'e+ → γ + γ + γ.
Существует обратный процесс — превращение энергии в массу. Фотон γ-лучей с энергией 1,02 Мэв при определенных условиях превращается в электрон-позитронную пару. Для фотона с меньшей энергией этот процесс невозможен, а более энергичный фотон отдает излишки своей энергии разлетающимся частицам. Фотон γ-лучей никогда не превращается только в электрон или только в позитрон. При таком превращении закон сохранения заряда был бы нарушен. Короче говоря, независимо от того, как происходит электрон-позитронная аннигиляция, должны сохраняться четыре основные величины: импульс, момент количества движения, электрический заряд и энергия.
Антинуклоны
Теорию Дирака, предсказавшую существование положительно заряженного электрона, применили к протону. Было высказано предположение, что должен существовать отрицательно заряженный протон — антипротон. После открытия позитрона физики были убеждены, что антипротон существует и его можно получить в лаборатории. Трудность заключалась в том, что протон в 1836 раз тяжелее электрона и, если для создания пары электрон — позитрон требуется энергия 1,02 Мэв, для создания протона и антипротона потребовалось бы минимум 1872 Мэв. Только после 1950 года физики получили устройство, которое позволяло концентрировать такую энергию в малом объеме.
В 1956 году итальянский физик Эмилио Сегре, работающий в США, и его американский коллега Оуэн Чемберлен закончили работу, в результате которой убедительно доказали существование антипротона. Когда протон и антипротон встречаются, они аннигилируют подобно электрон-позитронной паре. Только в случае аннигиляции протон-антипротонной пары выделяется гораздо большая энергия. Если обозначить антипротон 'р-, то процесс аннигиляции можно записать следующем виде:
p+ + 'p- → γ + γ
В 1965 году была получена обратная реакция, когда γ-излучение большой энергии было превращено в протон-антипротонные пары.
Правда, при взаимодействии протона и антипротона наблюдали новое явление. Почти сразу же после открытия антипротона было обнаружено, что иногда, если протон и антипротон сталкиваются, едва касаясь друг друга, электрический заряд обоих исчезает, но массы не уничтожаются. Вместо двух заряженных тяжелых частиц образуются две тяжелые незаряженные частицы: вместо протона возникает нейтрон, а вместо антипротона — антинейтрон. Если последний обозначить символом 'п, можно записать:
p+ + 'p- → n + 'п.
Антинейтрон и антипротон называют антинуклонами. Нуклоны и антинуклоны принадлежат к барионам (как позитроны к лептонам).
Но что же такое антинейтрон? Позитрон отличается от электрона зарядом, и антипротон отличается от протона зарядом. Антинейтрон, как и нейтрон, не заряжен. Чем же они тогда отличаются?
Ответ, очевидно, надо искать в природе спина. Предположим, что субатомная частица — крошечная сфера, вращающаяся вокруг своей оси и обладающая двумя полюсами. Если посмотреть на частицу со стороны одного из полюсов, будет казаться, что она вращается против часовой стрелки, а со стороны другого полюса — по часовой стрелке. Назовем полюс, с которого кажется, что частица вращается против часовой стрелки, северным. (Подобно этому вращение Земли с запада на восток происходит против часовой стрелки, если смотреть на Землю со стороны северного полюса.) При вращении заряженная частица создает магнитное поле, в котором есть и северный, и южный магнитные полюса. В протоне северный магнитный полюс совпадает с северным полюсом, а в антипротоне северный магнитный полюс совпадает с южным. Другими словами, магнитное поле антипротона противоположно магнитному полю протона (рис. 5). Магнитные и электрические свойства частицы противоположны соответствующим свойствам античастицы.
