Протон-нейтронна модель ядра цілком задовольняє фізиків і донині вважається найкращою. Проте, на перший погляд вона викликає деякі сумніви. Якщо атомне ядро складається тільки з протонів і нейтронів, знову виникає питання про те, як можуть вилетіти з нього негативно заряджені електрони у вигляді? -частинок. А що якщо електронів в ядрі немає і вони утворюються в момент розпаду? Застосуємо закони збереження в пошуках правильного рішення.
Освіта електрона означає виникнення негативного електричного заряду. Але за законом збереження електричного заряду негативний заряд не може утворитися, поки одночасно не виникне позитивний. Однак жодна позитивно заряджена частка не вилітає з ядра разом з? -часткою отже, така частка повинна залишитися всередині ядра. Відомо, що всередині ядра існує одна-єдина позитивно заряджена частинка - протон. З усього сказаного випливає, що, коли з ядра вилітає електрон, всередині ядра утворюється протон. Перейдемо до закону збереження енергії. Протон має масу, і якщо він утворюється, десь в іншому місці повинна зникнути маса. У всіх ядрах, крім водню-1 присутні нейтрони. Будучи незарядженим, нейтрон з'являється або зникає, не порушуючи закон збереження електричного заряду. Отже, при випромінюванні? Частинки всередині ядра зникає нейтрон і одночасно виникає протон (рис. 4). Іншими словами, нейтрон перетворюється в протон, випускаючи при цьому електрон. Порушення закону збереження енергії не спостерігається, так як нейтрон трохи важче протона. Протон і електрон разом мають масу 1,008374 за шкалою атомних ваг, а маса нейтрона дорівнює 1,008665. При перетворенні нейтрона в електрон і протон маса 0,00029 «зникає». Насправді вона перетворюється в кінетичну енергію вилітає?-Частинки, що дорівнює приблизно 320 кев.
Мал. 4. Випромінювання?-Частинки.
Таке пояснення здається задовільним, тому підведемо підсумок, використовуючи по можливості просту систему символів. Позначимо нейтрон n, протон p +. електрон е - і запишемо рівняння випромінювання?-частинки:
Наші міркування тільки побічно відображають те, що відбувається всередині ядра. Насправді не можна заглянути всередину ядра і побачити, як протон перетворюється в нейтрон, коли вилітає заряджений електрон. По крайней мере, до сих пір не можна. А чи можна спостерігати окремі нейтрони у вільному стані? Чи будуть вони, так би мовити, на наших очах перетворюватися в протони і випускати швидкі електрони?
У 1950 році фізикам вдалося, нарешті, отримати відповідь. Вільні нейтрони час від часу розпадаються і перетворюються в протони, причому відбувається це не часто. Кожен раз, коли нейтрон зазнає така зміна, випромінюється електрон.
Нейтрони існують у вільному стані до тих пір, поки не відбудеться розпад, і питання про те, як довго триває цей період, дуже важливий. Коли конкретно нейтрон зазнає радіоактивний розпад, - сказати неможливо. Процес цей носить випадковий характер. Один нейтрон існує, чи не розпадаючись, одну мільйонну частку секунди, інший - п'ять тижнів, третій - двадцять сім мільярдів років. Проте, для великої кількості частинок одного типу з достатнім ступенем точності можна передбачити, коли розпадеться певний відсоток їх. (Аналогічним чином страхової статистик не може передбачити, як довго буде жити окрема людина, але для великої групи людей певного віку, професії, місця проживання т. Д. Зі значною точністю він може передбачити, через скільки часу половина з них помре.)
Час, протягом якого розпадається половина частинок даного типу, називають зазвичай періодом напіврозпаду частинки. Цей термін був введений Резерфордом в 1904 році. Кожен вид часток має свій власний характерний період напіврозпаду. Наприклад, період напіврозпаду урану-238 4,5 х 10 9 років, торію-232 набагато більше - 1,4 х 10 10 років. Тому уран і торій досі зустрічаються в значних кількостях в земній корі, незважаючи на те що в кожен момент деякі з їх атомів розпадаються. Протягом всієї п'ятимільярдної історії Землі розпалася тільки половина запасів урану-238 і набагато менше половини запасів торію-232.
Деякі радіоактивні ядра набагато менш стабільні. Наприклад, коли уран-238 випромінює? -частинок, він перетворюється в торій-234. Період напіврозпаду торію-234 тільки 24 дня, тому в земній корі є лише сліди цього елемента. Він дуже повільно утворюється з урану-238 і, що утворилися, дуже швидко розпадається.
Розпадаючись, торій-234 випромінює? -частинок. Всередині ядра торію нейтрон перетворюється в протон. Це перетворення торію-234 відбувається з такою швидкістю, що період напіврозпаду дорівнює двадцяти чотирьом дням, В інших радіоактивних ізотопів нейтрони набагато повільніше перетворюються в протони. Наприклад, калій-40 випромінює?-Частинки з періодом напіврозпаду 1,3 х 10 9 років. Деякі ізотопи зовсім не схильні до радіоактивного розпаду. Так, в ядрах атомів кисню-16, наскільки відомо, ні один нейтрон сам по собі не перетворюється в протон, т. Е. Період напіврозпаду нескінченний. Однак нас найбільше цікавить період напіврозпаду вільного нейтрона. Вільний нейтрон не оточений іншими частинками, які робили б його більш-менш стабільним, подовжуючи або скорочуючи його період напіврозпаду, т. Е. У разі вільного нейтрона ми маємо, так би мовити, неспотворений період напіврозпаду. Виявляється, він дорівнює приблизно дванадцяти хвилинах, отже, половина з трильйона нейтронів перетворюється в протони і електрони в кінці кожної дванадцятої хвилини.
Поділіться на сторінці