|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Бета – распад нейтрона |
 |
Радиоактивный распад атомного ядра
Описание
Бета-превращения атомных ядер — процессы, в которых атомный номер изменяется на единицу,— стали известными науке с той самой поры, когда физика ядра делала еще свои первые шаги. С того времени вплоть до наших дней эта область явлений неизменно остается одной из центральных проблем физики элементарных частиц.
Как хорошо известно, в основе бета-распада ядра лежит самопроизвольное превращение одного из нейтронов в протон (или наоборот). Когда же науке стали известны многие десятки новых частиц — мезонов, гиперонов и др., то оказалось, что способность ко взаимному превращению является их универсальным свойством.
В настоящее время можно считать установленным, что значительная часть этих превращений образует единый класс процессов (частным случаем которого и является бета-распад ядер), обусловленных наличием особого, так называемого «слабого взаимодействия».
С развитием этой области науки — физики слабого взаимодействия частиц — связаны такие крупнейшие события, как открытие нейтрино, открытие нарушения пространственной четности, обнаружение нарушения комбинированной (СР) четности, а также успехи в понимании структуры и взаимосвязи всей системы элементарных частиц. И хотя центр тяжести исследований, этого рода, несомненно, переместился в настоящее время в область физики частиц высоких энергий, интерес к явлениям бета-распада ядер не ослабевает, так как исследования детальных характеристик бета-распада, таких, как энергетические спектры и взаимная угловая кор¬реляция продуктов распада, их поляризация и др., дают возможность подвергать проверке предсказания различных вариантов современной теории слабого взаимодействия.
Бета-распад нейтрона представляет особый интерес ввиду того, что нейтрон - простейшее ядро и потому бета-распад не осложнен сильным взаимодействием нуклонов, а допускает вполне однозначную интерпретацию как практически чистый процесс, обусловленный слабым взаимодействием.
Само явление бета-распада нейтрона заключается в том, что свободный нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино, которые разлетаются в разные стороны, унося в сумме полную энергию этого превращения, обусловленную разностью масс нейтрона и образующихся частиц.
Спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ. Время жизни свободного нейтрона составляет 885,7±0,8 с (что соответствует периоду полураспада 613,9±0,6 с).
Бета-распад нейтрона был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 и открыт в 1948—1950 независимо А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком. В 2005 был обнаружен радиационный бета-распад нейтрона с излучением гамма-кванта:
Если обозначить единичные векторы направлений вылета электрона и антинейтрино ре и рv, а спина распадающегося нейтрона σ, то вероятность распада в единицу времени можно, как известно, в общем виде записать так:
(1)
где F(Е) — функция энергии электрона, т. е. форма бета-спектра, v — скорость электрона, с — скорость света, а, А, В и D — константы соответствующих угловых корреляций. Корреляции, характеризуемые коэффициентами А и В (между направлениями вылета электрона и соответственно — нейтрино и спином нейтрона), связаны с нарушением пространственной четности в слабом взаимодействии. Отличие от нуля константы тройной корреляции D означало бы нарушение временной четности.
Современная теория в любом из своих вариантов позволяет вычислить все константы, входящие в выражение (1). При этом замечательно то, что результаты такого вычисления зависят не столько от конкретной модели, лежащей в основе того или иного варианта теории, а от весьма общих свойств симметрии тех членов, которые входят в состав гамильтониана слабого взаимодействия. Таким образом, точные исследования количественных характеристик бета-распада нейтрона дают возможность определить относительные вклады членов, принадлежащих к различным классам симметрии.
Начало экспериментальным исследованиям бета-распада свободного нейтрона было положено в конце 40-х годов классическими работами Снелла, Робсона и Спивака. В опубликованных с этого времени работах исследовались различные свойства этого процесса, а именно:
а) Значение периода полураспада.
б) Форма бета-спектра электронов.
в) Угловая корреляция между направлениями вылета электрона и антинейтрино.
г) Угловые корреляции в распаде поляризованных нейтронов.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
До 1957 г., когда было открыто нарушение пространственной четности, исследования бета-распада нейтрона проводились на неполяризованных пучках. Соответственно, впоследствие исследования проводились на поляризованных пучках, дающие существенно более полную информацию о свойствах бета-распада и представляющие особый интерес в свете поисков нарушения временной четности (Т-нечетной тройной угловой корреляции).
Краткая сводка экспериментальных данных, полученных в различных лабораториях при исследовании угловых корреляций в распаде поляризованных нейтронов, приведена в табл.1.
Данные, полученные в различных лабораториях мира, неплохо согласуются друг с другом. Главным результатом этих исследований является подтверждение теории в так называемом V — А-варианте, а также отсутствие эффекта, нарушающего временную четкость.
Сводка результатов
| Тип корреляции |
Коэффициент |
Результат |
Лаборатория |
Год |
| (σpe) |
A |
-0.114±0.019
-0.118±0.010
|
Аргонн
ИАЭ
|
1960
1971
|
| (σpv) |
B |
0.88±0.15
0.995±0.035
|
Аргонн
ИАЭ
|
1960
1971
|
| (σ[pepv]) |
D |
0.04±0.05
-0.01±0.01
|
Аргонн
ИАЭ
|
1960
1971
|
Табл.1
Реализации эффекта
Независимо от конкретных моделей теории, исходя из весьма общих соображений, связанных с требованиями релятивистской инвариантности, можно показать, что в гамильтониане слабого взаимодействия могут присутствовать члены, обладающие только определенными свойствами симметрии, а именно свойствами скаляра, вектора, аксиального вектора, тензора и псевдоскаляра. Коэффициенты, характеризующие вклады этих членов, обозначают соответственно GS, GV, GA, GT, GP. В бета-распаде нейтрона псевдоскалярный член заведомо не может играть какую-либо существенную роль. Открытие нарушения пространственной четности привело к необходимости ввести в гамильтониан аналогичные члены, ответственные за нарушение четности и характеризуемые соответствующими коэффициентами G'S, G'V, G'A и G'T. Принципиальная же возможность несохранения временной четности приводит к допущению комплексности всех этих коэффициентов, так что число независимых параметров, характеризующих гамильтониан, становится равным 16. В принципе, необходимо наличие 16 независимых экспериментальных величин, для того чтобы можно было определить все эти фундаментальные константы теории. Пока такого «полного набора данных» не существует, да и имеющиеся экспериментальные величины известны с некоторыми погрешностями, что ограничивает возможности определения значений этих констант даже с учетом определенных предположений, суживающих число свободных параметров.
Так, во-первых, все экспериментальные данные свидетельствуют о том, что эффекты нарушения T-четности либо очень малы, либо вовсе отсутствуют, что позволяет в первом приближении считать все константы в гамильтониане вещественными.
Далее, поскольку, судя по многим результатам исследований бета-распада ядер, нарушение пространственной четности в слабом взаимодействии можно считать полным, то константы со штрихом должны быть равными по модулю соответствующим константам без штриха, причем установлено, что G'V =GV и G'A = GA.
Наиболее употребительными в настоящее время являются такие теоретические модели, в которых гамильтониан слабого взаимодействия представлен в основном всего двумя членами — векторным и аксиально-векторным. Можно рассмотреть имеющиеся экспериментальные данные под углом зрения совместимости с этим наиболее простым вариантом, а можно попытаться сделать какие-нибудь суждения и о возможном вкладе S- и T-членов.
В работе Кристенсена энергия электронов измерялась с помощью сцинтилляционного спектрометра (на основе пластмассы), отградуирован¬ного по нескольким «опорным» линиям известных бета-излучателей.
Исключительно чистый поток тепловых нейтронов, полученный в касательном канале реактора DR-3 (Ризо, Дания), выделенный системой коллиматорных диафрагм и дополнительно профильтрованный через охлажденный до температуры жидкого азота монокристаллический висмутовый блок, дал возможность вести регистрацию электронов распада без совпадений с протонами (рис. 1). Полученный бета-спектр показан на рис. 2. Сплошная кривая представляет собой отнормированный теоретический спектр, поправленный на разрешение спектрометра.
Схема опыта Кристенсена по измерению времени жизни нейтрона. 1 — заслонка, 2 — конический коллиматор, 3 — световоды, 4 —ФЭУ, 5 — линии магнитного поля, 6 — пропорциональный счетчик 3Не, 7 — направление пучка нейтронов, 8 — дистанционно управляемые алюминиевые заслонки, 9 — сцинтилляционная пластмасса, 10 — эффективный объем источника, 11 — монокристалл Вi, охлажденный жидким N2.
Рис.1
Бета-спектр распада свободного нейтрона, полученный в работе Кристенсена
Рис.2
Литература
1. Б.Г. Ерозолимский // УФН. 1975. т.116(1). с.145
2. Физическая энциклопедия. гл.ред Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.
Взаимодействие потоков частиц с веществом
Элементарные частицы, их рассеяние, реакции, космические потоки
Рентгеновское излучение
Атомная физика, излучение и поглощение энергии атомами и молекулами
Волновые свойства частиц
Квантовая механика
