Кикоин А.К. Две загадки бета-распада //Квант. - 1985. - № 5. - С. 30-31, 34.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Как известно, естественный бета- радиоактивный распад состоит в том, что ядра атомов одного элемента самопроизвольно испускают бета-частицы, то есть электроны, и при этом превращаются в ядра другого элемента с атомным номером на единицу большим, но с прежней массой («Физика 10», § 103). Символически это превращение записывается так:

\(~^M_ZX \to \ ^M_{Z+1}Y +\ ^0_{-1}e\) .

Здесь X - исходное ядро, Y - продукт распада, е - электрон (верхний индекс «0» показывает, что масса электрона по сравнению с атомной единицей массы очень мала).

Тщательное изучение бета-распада показало, что это явление таит в себе две загадки.

Загадка первая: «пропажа» энергии

Если ядро X самопроизвольно превращается в ядро Y , то это значит, что энергия W X ядра X больше, чем энергия W Y ядра Y . А энергия вылетающей при этом бета-частицы должна быть равна разности энергий W X - W Y (если пренебречь энергией отдачи).

Поскольку все исходные ядра X одинаковы, равно как одинаковы и все получающиеся из них ядра Y , все вылетающие бета-частицы должны иметь одну и ту же энергию. Опыты же показывают, что энергия практически всех бета-частиц меньше, чем разность энергий W X - W Y . Точнее: β -частицы имеют различные энергии, и все они лежат в пределах от нуля до максимального значения, равного W X - W Y . Например, для бета-частиц, испускаемых ядрами \(~\ ^{210}_{83}Bi\) (период полураспада 5 дней), максимальное значение энергии около 1 МэВ, а средняя энергия, приходящаяся на долю одной частицы, меньше чем 0,4 МэВ.

Создавалось впечатление, что бета-распад - это процесс, в котором, в нарушение закона сохранения энергии, энергия пропадает бесследно. Некоторые физики склонны были думать, что закон сохранения энергии, безусловно верный в мире макроскопических процессов, «необязателен» для некоторых процессов, связанных с элементарными частицами. К этой мысли (о возможности нарушения закона сохранения энергии) склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможно найдутся процессы, при которых энергия не пропадает бесследно (как в случае бета-распада), а наоборот возникает из ничего.

Нейтрино

Закон сохранения энергии был, однако, «спасен» швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он высказал предположение, что при бета-распаде из ядра вылетает не только электрон, но и еще одна частица, на долю которой и приходится недостающая энергия. Но почему эта частица никак себя не обнаруживает: не ионизует газ, как это делает электрон; ее энергия при столкновениях с атомами не переходит в тепло и т. д.? Паули объяснял это тем, что придуманная им частица электрически нейтральна и не обладает массой покоя .

Очень странной казалась эта частица, которой итальянский физик Энри ко Ферми дал имя - нейтрино. Все назначение нейтрино состояло в том, чтобы «спасти» закон сохранения энергии. С такими частицами физикам иметь дело еще не приходилось. Тем не менее, идея Паули о новой частице быстро получила всеобщее признание. Советский физик A.И. Лейпунский уже в 1936 году придумал способ ее обнаружения. Однако окончательно ее реальное существование было доказано только в 1956 году, почти через 26 лет после того, как она «родилась» в мозгу физика с богатым воображением - B. Паули.

Загадка вторая: откуда берутся электроны?

Эта загадка бета-распада (ее можно было бы поставить и на первое место) состояла вот в чем.

Как известно («Физика 10», § 107), атомные ядра всех элементов состоят только из протонов и нейтронов. Как же из ядер могут вылетать электроны, которых там нет, и нейтрино, которых там тоже нет?

Объяснить этот удивительный факт (из ядра вылетает то, чего там нет) можно только тем, что частицы - протоны и нейтроны, образующие ядро, способны взаимно превращаться друг в друга. В частности, бета-распад состоит в том, что один из нейтронов, входящих в ядро радиоактивного элемента, превращается в протон.

При этом в ядре оказывается одним протоном больше, чем было, а общее число частиц остается прежним. Просто один из нейтронов стал протоном. Но если бы дело только тем и ограничилось, был бы нарушен закон сохранения электрического заряда. Природа таких процессов не допускает! Так вот, оказывается, что вместе с превращением нейтрона в протон в ядре рождаются электрон, отрицательный заряд которого компенсирует положительный заряд появившегося протона, и нейтрино, которое уносит определенную долю энергии. Таким образом, при бета-распаде в ядре происходит превращение одного из нейтронов в протон и рождение двух частиц - электрона и нейтрино. Протон остается в ядре, электрон же и нейтрино, которым в ядре быть «не полагается», вылетают из него.

Заметим, что процесс бета-радиоактивного распада несколько напоминает процесс испускания светового кванта (фотона). Бета-частица и нейтрино рождаются в момент перехода ядра из одного состояния в другое, аналогично тому как фотон испускается атомом при переходе электрона, входящего в состав электронной оболочки атома, с одного энергетического уровня на другой.

Электричество (от греч. elektron – янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела), или ток начали использовать только в 1800 году, когда итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии.

А как же возникает электричество?

Всё вокруг состоит и малюсеньких частиц, которые не видны человеческому глазу, – атомов. Атом состоит из более мелких частиц: в центре – ядро, а вокруг него вращаются электроны. Ядро состоит из нейронов и протонов. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, имеют отрицательный заряд (-), а протоны, которые находятся в ядре, – положительный (+). Обычно количество электронов в атоме совпадает с количеством протонов в ядре, поэтому атом не имеет заряда – он нейтрален.

Бывают такие атомы, у которых может не хватать одного электрона. Они имеют положительный заряд (+) и начинают притягивать электроны (-) из других атомов. И в этих, других атомах электроны слетают со своих орбит, меняют траекторию движения. Движение электронов от одного атома к другому приводит к образованию энергии. Эта энергия и называется электричеством.

А откуда берётся электричество в наших домах?

Мы получаем электричество благодаря большим электростанциям. На электростанциях есть генераторы – большие машины, которые работают от источника энергии. Обычно источник – это тепловая энергия, которую получают при нагревании воды (пар). А для нагревания воды используют уголь, нефть, природный газ или ядерное топливо. Пар, который образуется при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбины, а те в свою очередь запускают генератор.

Энергию можно получить, используя силу воды, падающей с большой высоты: с плотин или водопадов (гидроэнергетика).

Как источник питания для генераторов можно использовать силу ветра или тепло Солнца, но к ним прибегают не часто.

Далее работающий генератор при помощи огромного магнита создаёт поток электрических зарядов (ток), который проходит по медным проводам. Чтобы передавать электричество на большие расстояния, необходимо увеличить напряжение. Для этого используют трансформатор – устройство, которое может повышать и понижать напряжение. Теперь электричество с большой мощностью (до 10000 вольт и более) по огромным кабелям, которые находятся глубоко под землёй или высоко в воздухе, движется к месту назначения. Перед тем, как попасть в квартиры и дома, электричество проходит через другой трансформатор, который понижает его напряжение. Теперь готовое к использованию электричество движется по проводам к необходимым объектам. Количество использованного электричества регулируется специальными счётчиками, которые прикрепляются к проводам, которые проложенные через стены и полы. подводят электричество в каждую комнату дома или квартиры. Благодаря электричеству работает освещение и телевидение, различные бытовые приборы.

Если Вам необходима помощь при решении задач по физике или математике, онлайн репетиторы всегда готовы Вам помочь. В любое время и в любом месте ученик может обратиться за помощью к онлайн репетитору и получить консультацию по любому предмету школьной программы. Обучение проходит посредством специально разработанного программного обеспечения. Квалифицированные педагоги оказывают помощь при выполнении домашних заданий, объяснении непонятного материала; помогают подготовиться к ГИА и ЕГЭ. Ученик выбирает сам, проводить занятия с выбранным репетитором на протяжении длительного времени, или использовать помощь педагога только в конкретных ситуациях, когда возникают сложности с определённым заданием.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Всегда так: если радуется дождю садовод, то турист проклинает этот некстати разразившийся ливень. Жарко светит солнце - и опять кому-то хорошо, а кому-то и нет. Увы, идеала на свете не бывает, и угодить на всех невозможно.

До открытия нейтрона физики думали, что атомное ядро состоит из протонов и электронов. Это очень огорчало теоретиков - в их расчетах не сходились концы с концами. Но зато совершенно спокойны были экспериментаторы, изучавшие радиоактивный бета-распад ядер. Им не приходилось ломать голову над тем, откуда берутся электроны.

Нейтрон своим появлением перевернул все вверх дном. Теперь радовались теоретики, потому что нейтронно-протонная модель строения ядра ликвидировала все их затруднения. Но радость гасла и меркла от одного взгляда в сторону тех, кто занимался исследованием радиоактивности. Они требовали ответа на один-единственный, но чрезвычайно тяжелый вопрос: откуда берутся электроны при бета-распаде ядер, если их там нет?

Неужели опять надо отказаться от такой чудесно простой картины строения ядра и сделать шаг назад? Неужто, увидев наконец ясные горизонты, снова погружаться в пугающую пучину непонятных, не согласующихся друг с другом фактов?

Поставленный в упор вопрос: откуда же в ядре берутся электроны? - заставил физиков сделать громадный шаг вперед. Быть может, не менее серьезный, чем шаг с признанием электронов.

Двадцать три века назад Демокрит наделил мир атомов свойством неделимости, неизменяемости. В самом конце XIX века физики сорвали этот ярлык с атомов и ничтоже сумняшеся перевесили его на элементарные частицы! Очень трудно было физикам представить себе кирпичики материи без привычного спокойного и надежного ярлыка.

Основатель квантовой механики В. Гейзенберг первый разрешил загадку ядра. Он предположил, что нейтрон в ядре может иногда превращаться в протон плюс электрон и нейтрино. Протон остается в ядре, а остальные "возникающие" частицы покидают его. Внешне такое превращение выглядит как радиоактивный бета-распад.

Так вот откуда берутся электроны! Впервые исследователи микромира открыли взаимную превращаемость элементарных частиц.

Нейтрон, как потом выяснилось, вне ядра живет не более 12 минут, распадаясь на протон, электрон и нейтрино. Со свободным протоном ничего подобного не случается. Но в радиоактивном ядре энергетическая обстановка складывается так, что даже стабильный протон может превратиться в нейтрон, позитрон и нейтрино. По имени элементарной частицы - позитрон - это событие в жизни радиоактивного ядра стали величать позитронным распадом.

Что это за новая частица - позитрон?

Она и новая, и будто бы уже давно знакома нам. Это точная копия электрона, только с обратным знаком электрического заряда. Казалось бы, и упоминать о ней нечего, если она необходима лишь для нескольких слов о позитронном распаде ядер.

Но нет. Частица эта играет особую роль в истории физики элементарных частиц. Открытие позитрона приоткрыло двери в мир античастиц. Оно продемонстрировало нам еще одно свойство материи - ее способность превращаться из весомой формы в форму энергии!

Все началось с того, что в 1931 году молодой физик-теоретик Кембриджского университета Поль Дирак получил уравнение, описывающее движение электрона. Вскоре он обнаружил, что уравнение это имеет два решения, то есть, помимо электрона, оно пригодно для описания еще одной частицы. Получалось так, что эта частица должна быть полностью аналогична электрону, но с положительным электрическим зарядом.

В то время - а случилось это более сорока лет назад - никто не слыхал об античастицах, а единственной известной физикам частицей с положительным зарядом был протон. Но протон из-за большой массы не отвечал второму решению уравнения Дирака.

Сначала казалось, что это чисто математический курьез. Но все попытки исключить второе решение ни к чему не привели. Одно из двух: либо неверна теория Дирака, либо в природе существует положительно заряженный электрон.

Предсказание Дирака было настолько необычным, что даже крупнейшие ученые далеко не сразу приняли его. Ландау, например, лишь спустя три десятилетия заявил: "Кто спорит, что Дирак за несколько лет сделал для науки больше, чем все присутствующие в этой комнате за всю свою жизнь?"

Спустя год, в 1932 году, в космических лучах был обнаружен позитрон. В камере Вильсона нашли следы частиц, которые могли принадлежать только электрону, но с положительным зарядом.

При исследовании космических лучей с помощью камеры Вильсона экспериментаторы использовали метод, предложенный еще в 1927 году советским физиком Д. Скобельцыным. Камера Вильсона помещалась между полюсами электромагнита. Это давало возможность не только видеть след элементарной частицы, но и по его искривлению в магнитном поле измерять энергию и определять знак электрического заряда пролетевшей через камеру представительницы микромира. На фотографиях, полученных в камере Вильсона, было отчетливо видно, что следы электрона и позитрона отклоняются в противоположные стороны.

Опыт подтвердил теорию. Двадцативосьмилетний Поль Дирак пополнил список лауреатов Нобелевской премии.

После открытия позитрона возник вопрос: а не имеет ли каждая элементарная частица "антиотражения"? Экспериментаторы занялись поисками антипротона в космических лучах. Электрон-позитронная пара будто бы подтверждала теорию Дирака. Но нет-нет да и закрадывалась мысль об исключении, сделанном природой именно для этих частиц.

"Интервал времени между предсказанием антипротона и его наблюдением в 1955 году был слишком велик, - говорил академик Я. Зельдович, - и у некоторых теоретиков нервы не выдержали - в последние годы появились попытки построить теорию без антипротонов".

Лишь четверть века спустя после предсказания Дирака группа американских ученых под руководством Эмилио Сегре и Оуэна Чемберлена обнаружила антипротон. А через год нашли и антинейтрон.

Ухватившись за позитронный конец, физики сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее стали вытягивать сеть с античастицами. И теперь никто уже не сомневается в том, что у каждой элементарной частицы есть своя тень - соответствующая античастица.

Изучая следы позитронов в камере Вильсона, физики сразу же обнаружили, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, взаимно "уничтожаются" - аннигилируют.

За природу бояться было нечего - она при этом ничего не теряла. Масса обеих частиц превращалась в другой вид материи - в энергию, количество которой легко подсчитать по известной формуле Альберта Эйнштейна Е = mc 2

"Этот результат новейшей физики, - писал лауреат Нобелевской премии Макс Лауэ, - является самым потрясающим из всего, что когда-либо приносило развитие естествознания".

Какими же странными оказались элементарные кирпичики материи! Даже такие стабильные частицы, как протон и электрон, могли "исчезнуть" вместе со своими античастицами. Невольно закрадывалась мысль: как могли до нашего времени сохраниться древние породы, сложенные из такого непрочного материала?

Но дело все в том, что элементарные частицы проявляют готовность к превращениям только в специфических условиях радиоактивных ядер и при встрече с античастицами. В доступной нам области мира стабильных ядер неизмеримо больше, чем радиоактивных. А от аннигиляции нас спасает отсутствие в заметных количествах античастиц.

металле, как и во всех твёрдых телах, каждый атом занимает определённое место. Правда, при некоторых условиях атомы твёрдых тел могут покидать свои места, но во всяком случае они долгое время остаются «привя­занными» к определённому месту. В зависимости от тем­пературы каждый атом более или менее сильно колеб­лется около этого места, не удаляясь от него сколько - нибудь далеко. В отличие от других твёрдых тел металлы обладают одной интересной особенностью: в пространстве между атомами металлов движутся свободные электроны, то-есть электроны, не связанные с определёнными атомами.

Откуда берутся такие свободные электроны?

Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим ато­мам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого ме­талла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.

Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько атомов. Тем не менее весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отри­цательному заряду всех электронов.

Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде. Атомы металла, потерявшие по 1-2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоря­ются, так что среди них всегда есть и быстрые и мед­ленные.

Движение свободных электронов вполне беспорядочно. Нельзя уловить в нём никаких струек или потоков, ника­кой согласованности. Свободные электроны движутся в металле приблизительно так, как мечутся мошки в тёп­лом воздухе летним вечером: в рое каждая из мошек ле­тает сама по себе то быстрее, то медленнее, а весь рой стоит на месте.

Среди беспорядочно движущихся электронов всегда есть такие, которые летят по направлению к поверхности металла. Будут ли они вылетать из металла? Ведь если оставить открытым сосуд с газом, молекулы которого также находятся в беспорядочном движении, как и электроны в металле, то молекулы газа быстро рассеются в воздухе. Однако электроны в обычных условиях не вы­летают из металла. Что же их удерживает? Притяжение ионами. Когда электрон поднимается немного над по­верхностью металла, над ним уже нет ионов, а внизу, на поверхности, есть. Эти ионы притягивают поднявшийся электрон, и он падает обратно на поверхность металла, как падает на землю брошенный вверх камень.

Если бы камень имел достаточно большую началь­ную скорость, он мог бы преодолеть притяжение Земли и

Улететь в межпланетное пространство, как улетает пу­шечное ядро в романе Жюль Верна. Очень быстрые элек­троны тоже могут преодолеть силы электрического притя­жения и покинуть металл. Это и происходит при нагре­вании.

При нагревании металла усиливается движение не только атомов, но и электронов, и при высокой темпера­туре из металла вылетает столько электронов, что их поток можно обнаружить. Посмотрите на рис. 7. На нём изображена необычная электрическая лампочка. В её баллоне на некотором расстоянии от нити накала укреп­лена металлическая пластинка. Пластинка называется анодом, а нить - катодом. К одному концу нити (всё равно к какому) и к аноду присоединена батарея, а между батареей и анодом в так называемую «анодную» цепь включён прибор, показывающий наличие электрического тока. Прибор этот называется гальванометром. Сама нить лампы включена в электрическую сеть и раскалена. Если анод соединён с отрицательным полюсом батареи, а нить с положительным, то тока в анодной цепи не будет (рис. 7 слева). Теперь попробуем поменять полюсы и присоеди­ним пластинку к «плюсу» батареи. В цепи сейчас же появится ток (рис. 7 справа). Этот опыт показывает, что раскалённая нить лампы действительно испускает отри­цательные заряды - электроны, которые отталкиваются от анода, если он заряжен отрицательно (рис. 7 слева), и увлекаются электрическими силами к аноду, если он присоединён к положительному полюсу батареи (рис. 7 справа).

Испускание электронов накалёнными металлами имеет огромное практическое значение. Достаточно сказать, что оно используется во всех радиолампах (о радиолампах мы ещё будем говорить в последнем разделе книжки).

Увеличить энергию электронов и заставить их выле­тать из металла можно не только нагреванием, но и освещением. Такие явления изучил в 1888 году русский физик, профессор Московского университета А. Г. Сто­летов. Поток световых лучей несёт энергию, и если свет падает на металл, то часть этой энергии поглощается ме­таллом и передаётся электронам. Получив добавочную энергию, некоторые электроны преодолевают притяжение ионов и вылетают из металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект используется в очень важном для техники приборе - фотоэлементе. Схема фотоэлемента показана на рисунке 8.

Стеклянный баллон, из которого удалён воздух, по­крыт изнутри слоем металла, обычно натрия, калия или цезия, подвергнутого особой обработке (из этих металлов электроны легко вырываются при действии видимого света); не покрыто металлом только небольшое окошечко для пропускания света. Слой металла служит катодом фотоэлемента (фотокатодом). В середине баллона поме­щается или тонкая металлическая проволочка или сетка. Это - анод. Фотокатод соединяется с отрицательным по­люсом батареи, а анод - с положительным. Как только на фотокатод упадут световые лучи, некоторые электроны приобретают большую энергию и вырываются с его по­верхности. Сила электрического притяжения гонит их к аноду, и в цепи появляется ток. Если же освещение пре­кращается, ток исчезает). Заметим, что обоими описан­ными способами удается извлекать из металлов только очень небольшую часть имеющихся в них свободных электронов.

Легко понять, что электризация трением представляет собой процесс вырывания электронов. Так, например, при трении стекла о кожу электроны, извлечённые из стекла, переходят на кожу.

Итак, мы знаем, что электроны можно извлечь из ато­мов. Посмотрим теперь, как можно управлять электро­нами, покинувшими атомы.

Откуда приходят электроны, когда электрический генератор производит электричество? Это с воздуха? Будет ли генератор работать в вакууме? У электронов есть масса, так откуда бы их вытащить, если ничего нет?

КДН

Да. Электроны, которые отвечают за токи от генератора, являются свободными электронами в самих проводах; вся твердая материя частично состоит из электронов, поэтому если у вас есть генератор, у вас много электронов.

Ответы

анна v

Можно получить электроны (отрицательные заряды) и положительные ионы в статическом электричестве . Это ясно показывает, что нейтральные атомы не являются неделимыми. Трение может дать силу для извлечения электронов и оставить ионы с положительным зарядом, как это часто случается при ходьбе по коврам.

Диск Фарадея, первый электрический генератор. Подковообразный магнит (А) создавал магнитное поле через диск (D). Когда диск поворачивался, это вызывало электрический ток радиально наружу от центра к ободу. Ток протекал через скользящий пружинный контакт m, через внешнюю цепь и обратно в центр диска через ось.

это - электроны в металлах, которыми управляют магнитные силы в проекте, снова разделяя заряды на движение электрона и положительные ионы. Металлы имеют очень слабо связанные электроны, которые в совокупности принадлежат морю Ферми и могут генерировать ток электрического генератора.

Таким образом, ответ таков: атомы поставляют электроны из своих внешних электронных оболочек . Это атомы в генераторе, которые снабжают электроны, и да, это будет работать в вакууме.

Лахиру Перера

Точно так же, как ваш водяной насос не генерирует воду, электрический генератор не генерирует электроны, он просто перетаскивает электроны из одного места в другое.

Manishearth ♦

В настоящее время ваш ответ не очень полезен, и он намного меньше, чем ранее существовавшие ответы. Может быть, вы могли бы уточнить это?

Джерри Ширмер

Проводящий материал - это материал, через который электроны могут свободно течь.

Напряжение - это разница в электрической потенциальной энергии на единицу заряда - если у меня есть источник 10 В, и я даю +1 С заряда, протекающего от положительного контакта к отрицательному контакту, я передам 10 Дж энергии этому обвинять. Электрический генератор генерирует разность потенциалов между двумя клеммами (обычно как напряжение постоянного тока или как напряжение переменного тока). В обычных бытовых приборах это напряжение подключено к проводу, и электроны в проводящем проводе - это то, к чему передается потенциальная энергия в батарее.