Бета — распад и ядерная статистика

Явление радиоактивности было случайно открыто в 1896 году Анри Беккерелем (1852-1908). Французский физик заметил, что некоторые вещества способны испускать излучение (энергию) и это явление не имеет ничего общего с фосфоресценцией, которую он изучал. Кроме того, Беккерель заключил, что это явление не зависит от того, в каком химическом состоянии находится анализируемое вещество. В первые десятилетия XX века радиоактивность была подробно изучена многими учеными, включая Пьера и Марию Кюри, Эрнеста Резерфорда, Фредерика Содди и других. Из их работ не удалось понять происхождение этого явления (для этого необходимо было располагать новой квантовой теорией и описанием атомного ядра), но стало возможным получить общие выражения, описывавшие распад радиоактивных элементов.бета-распад Также стало понятно, что процессы радиоактивного распада можно разделить на три вида: альфа-излучение (испускание ядер гелия), бета-излучение (испускание электронов) и гамма-излучение (электромагнитное взаимодействие, то есть испускание фотонов). В 1914 году британский физик Джеймс Чедвик (1891-1974) показал, что энергетический спектр испускания бета-излучения непрерывный. Другими словами, излучаемые электроны в этих процессах имеют некоторую энергию между минимальным и максимальным значением. Этот результат был совершенно неожиданным и вызвал большую путаницу. Если начальные и конечные ядерные состояния соответствовали определенным дискретным уровням энергии, как могли излучаться электроны с другой энергией?

В 1920-е годы обсуждались возможные механизмы процессов распада. С одной стороны, Чарльз Драммонд Эллис(1895- 1980) и Уильям Альфред Вустер (1903-1984) поставили очень точные опыты, в результате которых пришли к выводу, что не-прерывный спектр, наблюдаемый в результатах Чедвика, формировался первичными электронами, то есть электронами, вы-пущенными в процессе радиоактивного распада. Лиза Мейтнер (1878-1968), родившаяся, как и Паули, в Австрии, напротив, была убеждена в важнейшей роли вторичных процессов в спектре Чедвика. Несмотря на это, Мейтнер полностью приняла интерпретацию Эллиса и Вустера, воспроизведя их опыт с еще большей точностью.

История развития теории бета-распада

Проблемы на тему бета-распад и ядерная статистика были изложена самим Паули спустя много лет, в 1957 году:

«Непрерывный энергетический спектр бета-лучей, открытый Чедвиком в 1914 году, принес ряд трудностей в теоретической интерпретации. Результат был прямо связан с электронами, излучаемыми радиоактивным ядром, или со вторичными процессами? Первую точку зрения, оказавшуюся правильной, вторую приняла Лиза Мейтнер».

Об изменении точки зрения Мейтнер мы узнаем из письма, которое Паули послал Бору в июле 1929 года по случаю серии лекций, состоявшихся в Цюрихе:

«Госпожа Мейтнер провела очень интересный семинар об экспериментальных аспектах бета-распада и почти убедила меня в том, что невозможно объяснить непрерывный p-спектр через вторичные процессы. Таким образом, мы на самом деле не знаем, что происходит».

Второй проблемой, которую пытался решить Паули с помощью своей гипотезы нейтрино, было отношение между спином ядра, магнитным моментом и ядерной статистикой. Классическим примером был азот. В 1920-е годы большинство физиков приняли, что ядра атомов состоят из протонов и электронов. В 1926 году Крониг выявил первую трудность, связанную со значением магнитного момента электронов (так называемый магнетон Бора). Крониг указал, что раз электроны являются составной частью ядра, значит, и у них должен быть магнитный момент порядка магнетона Бора, если только магнитные моменты не стремятся к нулю, что является очень маловероятным. С другой стороны, ядро с магнитным моментом, близким к магнитному моменту электрона, должно было представлять результаты, которые совершенно не согласуются с расщеплением спектральных линий, наблюдаемым в очень тонкой структуре.neytrino1

Вторая трудность, на которую обратил внимание тот же Крониг за два года до замечания по поводу магнитного момента, заключалась в несоответствии между опытным результатом, полученным в 1928 году в Утрехте и касавшимся значения спина ядра азота, и его структурой. Опытные данные однозначно говорили, что угловой момент ядра азота равен 1. Но это совершенно не соответствовало структуре такого ядра, состоящего из 14 протонов и 7 электронов. Поскольку и протоны, и электроны являются частицами с полуцелым спином, то, соответственно, ядро, состоящее из нечетного количества частиц (электроны + + протоны), должно иметь полуцелый спин, что не соответствовало опытным данным. Такой же вывод содержался и в последующих работах Вальтера Гайтлера (1904-1981) и Герхарда Херцберга (1904-1999), в которых утверждалось, что ядра азота удовлетворяют статистике Бозе — Эйнштейна. Этот результат соответствовал частицам с целым спином, но он был удивительным, если вспомнить о структуре, принятой в те годы для ядра азота: 14 протонов и 7 электронов. Пытаясь понять эти результаты, Крониг утверждал, что протоны и электроны внутри ядер, возможно, теряли свою целостность, то есть не сохраняли ни спин, ни магнитный момент в том виде, в котором они были в частицах, не входивших в состав ядра. Это объяснение Паули не принял никогда.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.