Neutroner sönderfaller också med emission av fotoner. Neutron: strukturell koppling "vid massökning" Vad sönderfaller en neutron till?

Historia om upptäckten av neutronen Historien om upptäckten av neutronen börjar med Chadwicks misslyckade försök att upptäcka neutroner i elektriska urladdningar i väte (baserat på den ovan nämnda Rutherford-hypotesen). Rutherford, som vi vet, utförde den första konstgjorda kärnvapen

• Översättning

Ett faktum som förbryllar många av dem som studerar vanlig materias natur för första gången är att kärnan i en atom som är tyngre än väte innehåller både protoner och neutroner, men neutronerna sönderfaller (sönderfaller till andra partiklar) i genomsnitt 15 minuter! Hur kan kärnorna av kol, syre, kväve, kisel vara så stabila om neutronerna som de är sammansatta av inte kan överleva på egen hand?

Svaret på denna fråga visar sig vara väldigt enkelt när du väl förstår hur energi fungerar: det är ren redovisning. Men att förstå energi är inte alls lätt. Först måste du läsa. Innan dess måste du bekanta dig med. Dessa begrepp måste introduceras innan man förstår svaret på en given fråga.

Om du läser artikeln om interaktionsenergi så vet du att en väteatom består av en proton och en elektron, som på grund av negativ bindningsenergi inte kan fly från varandra – de är låsta inuti atomen. Negativ bindningsenergi kommer från negativ interaktionsenergi, delvis balanserad av positiv energi av elektronrörelser (och en liten proton). Interaktionsenergin kommer från effekten av elektronen på det elektriska fältet nära protonen (och vice versa).

I den här artikeln kommer jag att förklara varför neutronen är stabil i nästa enklaste atomkärna: deuteronet, kärnan av "tungt väte" eller "deuterium". En deuteron består av en neutron och en proton - enkelt i princip, och inte alltför olik en väteatom med en elektron och en proton. När du väl förstår varför neutronen är stabil i deuteronet kommer du att förstå den grundläggande principen att neutroner kan vara stabila inom alla stabila kärnor. Summan av kardemumman är denna: interaktionsenergin för protoner och neutroner är negativ och ganska stor, därför skulle sönderfallet av en neutron i vissa kärnor leda till en ökning av systemets energi (bestående av resterna av kärnan) efter dess sönderfall och alla partiklar som emitteras under sönderfallet), vilket skulle bryta mot lagen om bevarande av energi. Eftersom energi måste bevaras är förfall omöjligt.

Jag kommer inte att beskriva interaktionen mellan en neutron och en proton, eftersom denna är ansvarig för en stark interaktion, mycket mer komplex än de elektriska (och magnetiska) interaktionerna mellan protonen och elektronen som utgör väteatomen. En del av denna komplexitet beror på den sammansatta naturen av interaktionen - lite som hur en elektromagnetisk kraft kan binda två väteatomer till en vätemolekyl, även om båda atomerna är elektriskt neutrala. Men denna analogi täcker inte några viktiga detaljer. Kärnfysik är ett separat ämne.

Ris. 1

Lyckligtvis behöver vi inte dessa komplikationer. Vi behöver veta att dessa krafter skapar negativ interaktionsenergi för ett system av protoner, neutroner och olika komplexa fält, vilket gör att de kan påverka varandra. Resultatet är en stabil deuteron. Precis som en väteatom inte plötsligt kan sönderfalla till en elektron och en proton, kan inte en deuteron plötsligt sönderfalla till en neutron och en proton.

Detta betyder inte att deuteronet eller väteatomen inte kan förstöras. Du kan "jonisera" en väteatom (slå ut en elektron från en proton) om du lägger till extern energi - i form av till exempel en ganska energisk foton. Samma metod kan användas för att bryta upp deuterium och slå ut en neutron från en proton. Men energi för detta måste hämtas utanför systemet; varken väte eller deuteron kommer att sönderfalla av sig själva.

Neutron kan sönderfalla

Ris. 2

Låt oss kontrollera att detta villkor är uppfyllt för en neutron, som kan sönderfalla till en proton, en elektron och en elektron antineutrino. Förfallet visas i figur 2; neutronen förvandlas spontant till dessa tre partiklar. Neutronen och protonen är faktiskt större i storlek än elektronen och antineutrino - även om ritningen fortfarande inte är i skalen. Diametern på en neutron eller proton är ungefär en miljarddels triljondels meter (100 000 gånger mindre än en atom), och diametern på en elektron eller neutrino är känd för att vara åtminstone ytterligare 1 000 gånger mindre än detta.

I fig. Figur 3 visar energiredovisning (se figur 1). Före neutronens sönderfall är hela systemets energi lika med neutronens massenergi (E = mc 2). Neutronmassan är 0,939565... GeV/c 2.

Ellipserna indikerar att detta inte är ett exakt värde, men vi behöver inte mycket precision än. Detta betyder att neutronmassans energi är

0,939565…GeV/c 2

Efter neutronens sönderfall, vad blir energin i hela systemet? Eftersom energi sparas och ingen energi tillfördes utifrån, kommer systemets energi att vara lika med samma sak - 0,939565... GeV!

Men hur ska det fördelas?

För det första kommer vi inte att ha interaktionsenergi. Detta är inte självklart, men det är väldigt viktigt. När en proton, elektron och antineutrino flyger isär blir energin för deras interaktion försumbar.

För det andra har varje partikel massenergi. Hur mycket är det?
Protonmassenergi är 0,938272... GeV.
Elektronmassenergin är 0,000511... GeV.
Antineutrinomassans energi kan försummas, den är så liten.

Och detta är bra, eftersom vi fortfarande inte känner till massan av neutriner. Vi vet att det är åtminstone mycket mindre än 0,000001 GeV.

Den slutliga massenergin är lika med

(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) GeV = 0,938783… GeV

Vilket är mindre än energin för neutronmassan som vi började med med 0,000782... GeV. Än så länge ser vi inte hur det håller i sig. Neutronens massenergi har inte helt omvandlats till massenergin för protonen, elektronen och neutrinon. Överskottsenergi i fig. 3 visas i gult.

Ris. 3

Skillnaden kan kompenseras med hjälp av rörelseenergin. Hon är alltid positiv. Vi behöver bara fördela de extra 0,000782... GeV mellan partikelrörelser så att systemets rörelsemängd bevaras (tro mig, detta är möjligt). Då kommer energin att bevaras, eftersom neutronmassans energi har förvandlats till massenergin och rörelseenergin för protonen, elektronen och neutrinon.

Jag angav inte den exakta mängden rörelseenergi som överförs till protonen, elektronen och neutrinon, eftersom energin i varje fall av neutronsönderfall kommer att fördelas annorlunda, helt enkelt slumpmässigt (detta är kvantmekanik). Endast den totala rörelseenergin kommer alltid att vara densamma, 0,000782... GeV.

Deuteron är stabil

Deuteron massenergi = 1,875612… GeV =
Protonmassenergi + neutronmassenergi,
Protonrörelseenergi + neutronrörelseenergi,
Interaktionsenergi (negativ och större i omfattning än rörelseenergin).

< энергия массы протона + энергия массы нейтрона

0,938272… GeV+ 0,939565… GeV = 1,877837… GeV

Därför är deuteronets bindningsenergi

1,875612… GeV – 1,877837… GeV = -0,002225… GeV

Ris. 4

Negativ bindningsenergi betyder, som med väteatomen, att deuteronen inte helt enkelt kan bryta isär till en neutron och en proton, som visas i fig. 4. Detta skulle bryta mot bevarandet av energi, som säger att den sönderfallande partikeln måste vara mer massiv än de partiklar som den sönderfaller i. Som visas i fig. 5, det finns inget sätt att spara energi. Neutronen och protonen har mer massenergi än deuteronen, och det finns ingen källa till negativ energi som kan kompensera för energiunderskottet, eftersom det inte finns någon interaktionsenergi mellan vitt åtskilda protoner och neutroner, och rörelseenergin inte är negativ. Detta innebär att processen i fig. 4 kan inte hända.

Ris. 5

En neutron inuti en deuteron kan inte sönderfalla

Låt oss säga att det faller isär: vad återstår? Då kommer vi att ha två protoner, en elektron och en antineutrino; se fig. 6. Två protoner stöter bort varandra - de har en positiv elektrisk laddning och den elektriska kraften trycker isär dem. Den starka kärnkraften som försöker dra ihop dem är inte lika stark som den mellan en neutron och en proton, och den kombinerade effekten av de två krafterna kommer att vara frånstötande. Som ett resultat kommer denna interaktion att pressa isär protoner. Samtidigt kommer elektronen och antineutrino också att lämna handlingsplatsen.

Ris. 6

När alla fyra partiklarna är långt ifrån varandra (som ungefär visas i figur 6, men tänk dig att de var ännu längre ifrån varandra), kommer det inte att finnas någon signifikant interaktionsenergi mellan dem. Systemets energi kommer endast att bestå av summan av partikelmassornas energier och rörelseenergierna. Eftersom rörelseenergin alltid är positiv kommer den minimala energin som partiklar kan ha att vara lika med summan av deras massenergier. Men denna energi är större än energin hos deuteronmassan (fig. 7)! Till och med energin för massan av två protoner, 1,876544... GeV, är redan större än energin för deuteronmassan. Och de ytterligare 0,000511 GeV gnider bara salt i såret.

Därför kan en neutron inuti en deuteron inte sönderfalla; interaktionsenergin som håller deuteronet drar ner dess massa - tillräckligt lågt för att sönderfallet av neutronen inuti deuteronet bryter bevarandet av energi!

Ris. 7

Andra atomkärnor

Om du tar Z-protoner och N-neutroner och försöker göra en kärna av dem, kommer du att misslyckas för de flesta av Z- och N-alternativen. De flesta av dessa kärnor kommer att förfalla omedelbart och kommer inte att bildas alls. Grovt sett är attraktionskraften mellan Z-protoner och N neutroner starkast när Z är ungefär lika med N. Å andra sidan stöter protoner bort varandra på grund av elektromagnetisk interaktion. Denna kraft ökar när Z ökar. Konkurrensen mellan dessa två effekter tyder på att kärnan med största sannolikhet är stabil när Z är något mindre än N. och ju större Z och N, desto större bör skillnaden vara mellan Z och N. Detta kan ses i Fig. 8. Endast kärnor markerade med svart är stabila; de är belägna i vad som poetiskt kallas "stabilitetens dal".

Och vilka är kärnorna indikerade med färg? Det visar sig att det finns ganska många kärnor som fortfarande förmultnar, men som kan leva ganska länge. Vi kallar ofta sådana föremål "instabila", och de som lever tillräckligt länge - "metastabila". Användningen av ord beror på sammanhanget. En neutron lever i 15 minuter. Det finns kärnor som lever i flera millisekunder, dagar, decennier, årtusenden och till och med miljarder år. Vi kallar dessa kärnor radioaktiva; det är de farliga konsekvenserna av incidenter med strålning eller vapen och verktyg som bland annat används i rökdetektorer och för att bekämpa cancer.

Det finns ett gäng sätt som dessa kärnor kan sönderfalla, men vissa av dem sönderfaller genom att förvandla en neutron till en proton inuti kärnan. Vi vet om detta genom ökningen av kärnans laddning och genom att en elektron flyger ut ur den tillsammans med en antineutrino. Andra kan till och med förfalla och förvandla en proton till en neutron! Det vet vi eftersom kärnans laddning minskar och en positron (antielektron) frigörs från den. Att beräkna hur länge en viss kärna kan leva och hur den kommer att förfalla är en fråga om mycket komplex kärnfysik - jag kommer inte att ge en kurs om det här (och jag är ingen expert).

Ris. 8

Det räcker med att säga att den negativa energin av partikelinteraktion, i kombination med bevarandet av energi, kan förändra hela spelet, vilket gör vissa processer omöjliga som är möjliga under normala förhållanden - och vice versa.

NEUTRON BETA DECAY, omvandlingen av en fri neutron n till en proton p, elektron e och elektron antineutrino v? e orsakad av svag interaktion: n → p + e - + v? e. Energin som frigörs i denna process är 783 keV; den är huvudsakligen fördelad mellan elektronen och antineutrino som flyger i olika riktningar, och protonen bär bort från 0 till 751 eV.

De första experimenten där förekomsten av neutronbeta-sönderfall upptäcktes och de första uppskattningarna av neutronernas livslängd (dvs den tid under vilken antalet neutroner minskar med en faktor e) erhölls av A. Snell (USA) , G. Robson (Kanada) och P.E. Spivak (USSR) i slutet av 1940-talet, när kärnreaktorer med intensiva neutronflöden dök upp. I dessa experiment mättes antalet protoner eller elektroner som emitterades från en utvald region av neutronstrålen och antalet neutroner i denna region. Sedan dess har studiet av neutronbeta-sönderfall - en process där egenskaperna hos den svaga interaktionen uppträder i nästan ren form - fortsatt intensivt.

Den moderna teorin om elementarpartiklar (den så kallade standardmodellen) betraktar denna process som resultatet av omvandlingen av en av de två d-kvarkar som är en del av neutronen och har en negativ laddning lika med 1/3 av laddningen av elektronen till en upp-kvark med en laddning på + 2/3 av laddningselektronen. I det här fallet uppträder en partikel - en bärare av den svaga interaktionen - en vektor W - boson, som nästan omedelbart sönderfaller till en elektron och en antineutrino. Sålunda är nedbrytningsprocessdiagrammet som följer:

Huvudstorheterna som bestämmer neutronbeta-sönderfall är neutronernas livslängd τ n och fyra konstanter (vinkelkorrelationer) som kännetecknar beroendet av sönderfallssannolikheten på:

1) vinkeln mellan emissionsriktningarna för en elektron och en antineutrino med momenta p c och p v? e,

2) vinkeln mellan r e och neutronspinnet σ n

3) vinkeln mellan p v? e och σn och

4) vinkeln mellan normalen till avklingningsplanet och σ n.

De andra och tredje vinkelkorrelationerna bryter mot lagen om bevarande av rumslig paritet, som är orubblig i klassisk fysik (oberoende av naturlagarna från spegelreflektion av koordinater), och den senare, om den upptäcktes, skulle innebära ett brott mot invariansen av lagar under tidsomkastning.

I början av 2000-talet har mer än 25 mätningar av neutronernas livslängd utförts med olika metoder. Som ett resultat fastställdes det att den genomsnittliga neutronlivslängden är τ n = 885,7 ±0,7 s. De mest exakta värdena på τ n erhölls genom att lagra ultrakalla neutroner, som kan förbli under lång tid i slutna volymer begränsade av svagt absorberande väggar eller speciella magnetfältskonfigurationer. I detta fall mättes minskningen av antalet ultrakalla neutroner med tiden direkt.

Resultaten av mätningar av vinkelkorrelationskonstanter vid nuvarande nivå av experimentell noggrannhet motsäger inte teorin. Försöken att upptäcka eventuella effekter som skulle indikera behovet av att gå längre än standardmodellen fortsätter dock.

Ytterligare förtydligande av neutronernas livslängd och vinkelkorrelationskonstanter är också viktigt för astrofysik och kosmologi: dessa data används i teorin om universums utveckling efter Big Bang och i beskrivningen av de processer som sker inuti stjärnor och bestämmer deras energi.

Lit.: Erozolimsky B. G. Beta-sönderfall av en fri neutron // Moderna metoder för kärnspektroskopi. 1986. L., 1988; Aleksandrov Yu A. Neutronens grundläggande egenskaper. 3:e uppl. M., 1992.

B. G. Erozolimsky.

Halveringstid för en fri neutron. B-r upptäcktes experimentellt för första gången. n. och erhöll uppskattningar av dess halveringstid nästan samtidigt (1948-50) och oberoende av varandra av A. H. Snell (Oak Ridsch, USA), J. Robson (Choke River, Kanada) och P E. Spivak (IAE). Totalt utfördes >15 mätningar T 1/2 neutron. Naib. exakta data erhölls i arbetet av C. Christensen och medarbetare (1970) (=10,61b0,16 min), Spivaks grupper (1978, T 1/2 =10,18b0,10 min) och G. Byrne (1980, G 1/2 =10,82b0,21 min).

För att bestämma T 1/2 neutroner producerades av 2 oberoende abs. mätningar: antalet neutronavklingningshändelser i en given region av en kollimerad stråle av termiska neutroner bestämdes och antalet neutroner lokaliserade i denna region mättes. I detta fall registrerades antingen elektroner (Christensen) eller sönderfallsprotoner (Spivak, Byrne), vars energiområde var 0-800 eV. I Spivaks verk registrerades de speciellt. låg bakgrund proportionell räknare, protonerna gick in i ingångsfönstret efter att ha passerat genom begränsaren. diafragma och accelererade till en energi av 25 keV i sfärisk. fokuseringsfält (Fig. 1). Antalet neutroner i sönderfallsregionen bestämdes av abs. aktiviteten hos Au bestrålad på samma plats som neutronstrålen.

Energi elektronspektrumet mättes av Robson och Christensen (1972). Med undantag för

Ris. 1. Schema för experimentet för att mäta halveringstiden för en fri neutron 1 - vakuumkammare; 2 - neutronstråle; 3, 5 - restriktiva membran, 4 - skärm (skärmning av yttre fält); 6 - bromsgaller; 7 - fokuseringselektroder; 8 - protondetektor (proportionell räknare).

Vissa avvikelser i området för mjuk energi (cirka 250 keV, uppenbarligen på grund av mätfel) i allmänhet stämmer spektrumet väl överens med Fermi-formeln för tillåtna övergångar (se. Beta-förfall kärnor):

Här är elektronenergin, och är gränsenergin för spektrumet (Fig. 2). Experimentet ger 782b13 keV, vilket stämmer överens med det teoretiska. värde, som följer av uppgifterna om neutronens massor, väteatomen: = 782.318b0.017 keV.

Ris. 2. Betaspektrum för sönderfallet av en fri neutron; heldragen linje - teoretisk kurva; cirklar motsvarar experimentella värden med hänsyn till energiupplösning.

Vinkelkorrelationer av sönderfallsprodukter. Impulserna av 3 partiklar som bildas under B-r. n., är relaterade till varandra genom bevarandelagen, och därför, med hänsyn till den sönderfallande neutronens spinn, är endast 4 oberoende vinkelkorrelationer teoretiskt möjliga. Sannolikheten för sönderfall av en fri neutron per tidsenhet kan skrivas som:

Här är formen på spektrumet, är elektronens hastighet, är enhetsvektorerna för riktningarna för elektron- och antineutrino-emission, A- kopplingskonstant mellan emissionsriktningarna för antineutrino och elektron; A kännetecknar förhållandet mellan elektronemissionens riktning och snurrriktningen för den sönderfallande neutronen; I kännetecknar förhållandet mellan emissionsriktningen för antineutrino och neutronens spin; D kännetecknar korrelationen mellan spinns riktning och normalen till partikelexpansionsplanet.

Korrelationer är rumsligt udda, det vill säga de byter tecken när koordinatsystemet speglas. Trippelkorrelation är spatialt jämn, men är udda med avseende på tidsinversion ( T udda).

Neutronsönderfall och svaga interaktionskonstanter. Enligt det teoretiska idéer, grundläggande bidrag till B-r.n. ska ge vektor (F) och axiell vektor ( A)interaktioner ( V -A-variant) med en masslös longitudinell antineutrino eller (eventuellt) med en nästan longitudinell antineutrino, som har en mycket liten (jämfört med en elektron) massa. En överlagring av ytterligare 3 (totalt 5) varianter av svag interaktion är dock teoretiskt tänkbar 4 fermioner- skalär ( S), pseudoskalär ( P) och tensor ( T). Att förtydliga frågan om vilka alternativ som faktiskt genomförs är 1 kap. uppgiften att studera beta-sönderfallet av kärnor och neutroner. Naib. ett tillförlitligt sätt att lösa detta problem är att få exakta värden på konstanterna a, A, B, D. När det gäller B-r. n. tolkningen av experimentella data är fri från osäkerheter som genereras av okända detaljer om kärnstrukturen.

Precisionsstudier av antineutrino-elektronkorrelationen utförda i Österrike. forskat centrum i Seibersdorf (1975-78), gav värdet a = -0,1017 b 0,0051. Samtidigt mättes spektrumet av sönderfallsprotoner som flög genom den evakuerade kanalen från reaktorhärden. Mätkonstanter A Och I blev möjligt först efter att kraftfulla strålar erhållits polariserade neutroner(upp till 10 9 neutr/s). Naib. enkelt konstantmätschema A. Från ett givet område av en polarisatorstråle. neutroner, elektroner som flyger i en viss rymdvinkel registreras i 2 riktningar av neutroner - parallellt och antiparallellt med elektronregistreringsaxeln, jämför räknehastigheterna under dessa förhållanden, den så kallade. asymmetrivärde:

där medelvärdet beräknas över den registrerade delen av spektrumet, är vinkeln mellan neutronpolarisationsriktningen

Ris. 3. Experimentellt schema för att mäta elektron-spin-korrelation: 1 - elektrondetektor (scintillationsplast och PMT); 2 - nät; 3 - vakuumkammare; 4 - en stråle av polariserade neutroner; 5 - sfärisk elektrod (+ 25 kV); 6 -litet sfäriskt nät; 7 - protondetektor (CsI och PMT): 8 - skärm; 9 - koniskt nät (+28 kV); 10 - ett diafragma som väljer neutronstrålens arbetsområde.

ny och rörelsemängden för den detekterade elektronen, TILL- koefficient polarisering av neutronstrålen.

I verkligheten är bilden komplicerad av närvaron av en bakgrund från elektroner som inte är associerade med neutronens sönderfall. Detta tvingar elektrondetektorn att slås på för att sammanfalla med sönderfallsprotondetektorn. I detta fall kan dock vinkelkorrelationen av antineutrino-spin, som är 10 gånger starkare än den uppmätta, ge ett märkbart bidrag till asymmetrin. I verken av Institute of Atomic Energy, var installationen utformad på ett sådant sätt att säkerställa insamlingen av alla protoner som bildas under B-r. n., vilket uteslöt påverkan av antineutrino-spin-korrelationen (Fig. 3). Resultatet av detta arbete: A=-0,114b0,005. Liknande studier utförda vid Argonne Laboratory (USA) gav: A=- 0,113b0,006.

För en konstant I erhållna värden: I= 1,01b0,05 (USA) och B=+0,955b0,035 (USSR). Korrelation är föremålet för att söka efter kränkningar T-paritet i svaga interaktioner. Totalt 6 mätningar av konstanten utfördes D. Naib. exakta avstånd: D=+0,0022b0,0030 (USSR) och D=-0.0011b0.0017 (Grenoble, Frankrike). Dessa resultat indikerar frånvaron av den önskade effekten inom mätfelet.

Erhållen genom att studera förfallet av polarisatorer. neutronkonstantvärden A Och I tillät oss att göra ett tydligt val till förmån för V-A-version av teorin. Ett bra test är förhållandet 1+ A=B+a, som måste uppfyllas av uppgifterna i fråga om en ren V-A-alternativ. Tillgängliga data utesluter dock ännu inte (inom gränserna för mätfel) närvaron av skalär- eller tensortyptermer i Hamiltonian, utan lägger endast begränsningar på konstanterna G motsvarande svaga 4-fermioninteraktioner: G S /G V<0,3 и G T /G A<0,15.