Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Возьмем, например, фосфор, единственным стабильным изотопом которого является фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов). Радиоактивный фосфор–32 (15 протонов, 17 нейтронов) в силу избытка нейтронов должен испустить один электрон в виде бета-частицы, что и происходит. Фосфор–32 испускает бета-частицы и превращается в стабильный изотоп серы–32 (16 протонов, 16 нейтронов).

Все встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, как долгоживущие, так и живущие недолго, обладают избытком нейтронов и в процессе перестройки ядра для достижения устойчивости испускают электроны (а также альфа-частицы).

А что произойдет, если искусственным путем создать радиоизотоп с дефицитом нейтронов в ядре? Для достижения устойчивости необходимо увеличить количество нейтронов за счет протонов. Этот процесс можно описать формулой, обратной формуле 13.1. Происходит поглощение электрона протоном, аналогичное К-захвату (см. гл. 8).

1p1 + –1e0 → 0n1. (Уравнение 13.2)

Однако существует вероятность и другого процесса. В то время как нейтрон может превратиться в протон путем испускания электрона, протон, по аналогии, может превратиться в нейтрон путем испускания позитрона:

1p1 + 0n1 → 1e0. (Уравнение 13.3)

Испускание позитрона (или положительно заряженной бета-частицы) приводит к обратному испусканию электрона результату. Атомное число нуклида уменьшается на единицу вследствие исчезновения протона, а массовое число остается опять-таки неизменным, так как на месте протона появляется электрон.

Фосфор–30 — самый первый полученный искусственным путем радиоизотоп — имел дефицит нейтронов в ядре; В то время как ядро стабильного фосфора–31 состоит из 15 протонов и 16 нейтронов, ядро фосфора–30 состоит из 15 протонов и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор–30, период полураспада которого 2,6 мин, испускает позитрон и превращается в стабильный кремний–30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив фосфор–30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие позитрона Андерсоном.

В лабораторных условиях было получено большое количество излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее известным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода–14.

В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звездах. В процессе слияния четырех ядер водорода–1 в одно ядро гелия–4, которое имеет 2p/2n структуру, два протона преобразуются в нейтроны, испуская два позитрона:

1Н1 + 1Н1 + 1Н1 + 1Н1 → 2He4 + 1e0 + –1e0 (Уравнение 13.4)

Электрон является стабильной частицей. Это означает, что самопроизвольно никаких изменений в нем не происходит. Согласно закону сохранения электрического заряда общий заряд остается неизменным. Электрон является самой малой частицей с отрицательным зарядом, и ученые предполагают, что меньшей отрицательной частицы, скорее всего, не существует. Распадаясь, электрон должен стать частицей с еще меньшей массой, а в этом случае для электрического заряда, так сказать, просто не останется места, поэтому электроны и не распадаются.

Это же утверждение относится и к позитрону, являющемуся самой малой частицей с положительным зарядом, который ей некуда девать в случае распада. Поэтому позитрон также считается стабильной частицей, и, если бы во Вселенной были одни лишь позитроны, они существовали бы вечно.

Однако позитрон вовсе не единственная частица во Вселенной. Позитроны образуются в мире, где электроны превосходят их по количеству. При обычных земных условиях не проходит и одной миллионной доли секунды, как позитрон сталкивается с электроном. Что же в этом случае происходит?

Сумма зарядов позитрона и электрона равна нулю. Значит, они могут слиться и нейтрализовать заряды друг друга. Кроме того, они компенсируют и массу друг друга. Такой процесс называется взаимной аннигиляцией. Но это не является аннигиляцией в чистом виде, так как согласно закону сохранения массы и энергии что-то все-таки остается, несмотря на нейтрализацию зарядов. Если пропадает масса электрона и позитрона, значит, должно выделиться соответствующее количество энергии.

Общая масса электрона и позитрона равна 1,822∙10–27 граммов. По формуле Эйнштейна e = mc2 (см. ч. II) энергетический эквивалент массы этих двух частиц равен 1,64∙10–6 эрг, или 1,02 Мэв.

Нельзя забывать и о других законах сохранения, имеющих силу при данном преобразовании массы в энергию. Например, закон сохранения углового момента (см. ч. 1) определяет спин.

Спин протона может принимать значение либо +1, либо –1. Если в результате взаимной аннигиляции электрона и позитрона образуется протон, энергия которого равна 1,02 Мэв (протон гамма-луча), то, предположив, что спин у электрона и позитрона одинаков, значение этого спина должно равняться ½. Если их спин равен +½, то образуется фотон со спином +1, а если их спин равен –½, то образуется фотон со спином –1.

Сложность заключается в том, что нужно соблюдать и закон сохранения количества движения (см. ч. I). Если общий импульс системы позитрон — электрон по отношению к окружающим объектам равен нулю, тогда единственный образующийся фотон не сможет сдвинуться с места. Но так как фотон должен двигаться, да еще и со скоростью света, значит, образуются несколько фотонов.

Вместо одного протона образуются три протона, по 0,34 Мэв каждый (они также являются гамма-лучами). Они появляются одновременно и разлетаются в разные стороны под углом 60°. Если спины протонов равны +1, +1 и –1, то и общий спин равен +1, а если -1, –1 и +1, то –1. И в том и в другом случае законы сохранения углового момента и импульса не нарушаются.

Если спины электрона и позитрона имеют одинаковое направление (то есть и у электрона, и у позитрона спин положителен либо отрицателен), то могут образоваться только три протона, но никак не два. Общий спин двух фотонов может быть равен 0 (+1 и –1), +2 (+1 и +1) или -2 (–1 и –1), в то время как общий спин электрона и позитрона может быть равен лишь +1 (+½ и + ½) или –1 (–½ и –½). В данном случае закон сохранения углового момента не соблюдается.

С другой стороны, если спины электрона и позитрона имеют разное направление (+½ и –½), то они могут образовать два фотона (+1 и –1), так как угловой момент в обоих случаях равен 0, то есть закон сохранения углового момента соблюдается. Два протона являются гамма-лучами мощностью 0,51 Мэв, которые разлетаются в противоположном друг от друга направлении, то есть соблюдается и закон сохранения импульса.

Я так подробно рассказываю об этом, чтобы показать, как физики с помощью законов сохранения определяли, что на субатомном уровне происходить может, а что не может. Они основывались на утверждении, что любое «ядерное» явление, если оно может произойти, произойдет обязательно, нужно лишь достаточно долго ждать и пристально наблюдать. Поэтому, если какое-то явление не происходит, несмотря на долгие и сложные исследования, однако оно не «запрещено» ни одним из законов сохранения, значит, нужно вывести новый закон. С другой стороны, если вопреки какому-либо закону явление все же происходит, значит, этот закон действителен только в определенных условиях и нужно вывести более общую формулу.