Техника - молодёжи 1955-01, страница 34
Многие читатели, заинтересовавшиеся статьей О. Ложкина <В недрах атома», помещенной в № 2 журнала за 1954 год, обратились с просьбой более подробно рассказать о нейтрино и указали на неточности, допущенные автором статьи, в толковании вопроса о массе этой элементарной частицы. Выполняя пожелание читателей, редакция помещает статью О. Ложкина, специально посвященную проблеме нейтрино. ЧТО МЫ ЗНАЕМ О НЕЙТРИНО С реди большого числа элементарных частиц, известных в настоящее время, нейтрино — одна из удивительнейших н наименее изученных. Первые догадки о ее существовании были высказаны немецким ученым Паули еще в 1931 году, но только теперь физики получили убедительные доказательства существования нейтрино. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ НЕЙТРИНО Давно уже было известно, что ядра атомов некоторых химических элементов способны самопроизвольно испускать быстрые электроны. При этом атомный номер ядра увеличивается на единицу, а массовое число его не меняется. Этот вид радиоактивности ядер получил название Р-распада. К 1930 году было твердо установлено, что значительная часть энергии, выделяющейся при £ -распаде, исчезает совершенно непонятным образом: электроны, излучаемые ядрами, уносят с собой примерно только половину всей анергии распада. Каким путем исчезала от наблюдений другая половина энергии, представлялось загадочным. Совершенно непонятным казалось и наблюдаемое при этом на опыте распределение электронов по энергиям. В то время как из закона сохранения внергии следовало, что электроны должны иметь вполне определенную, одинаковую энергию, из опыта было известно, что электроны прв Р-распаде могут обладать любой анергией (до некоторой максимальной). Для объяснения возникшей проблемы, которая получила название «проблемы Р -распада», было предложено много оригинальных и остроумных гипотез, однако самой смелой из них оставалась гипотеза, предложенная в 1931 году Паули, который предположил, что исчезающая загадочным образом при Р -распаде энергия уносится некими нейтральными ча стицами, обладающими малой массой. Эта частица впоследствии и получила название нейтрино (в переводе «маленький нейтрон»). Предположение о существовании такой новой частицы было очень смелой гипотезой, так как в то время физикам известно было всего две элементарные частицы: электрон и протон, из которых и считали построенными атомы всех веществ. Однако, как показало дальнейшее развитие физики, пришлось признать не только реальность появления нейтрино в процессе Р -распада, но и предположить его образование в ряде других процессов, как, например, при распаде мезонов. Одной из причин жизненности гипотезы Паули было то обстоятельство, что она исходила из незыблемости закона сохранения энергии. СВОЙСТВО НЕЙТРИНО Первые же экспериментальные работы, ставившиеся с целью обнаружения нейтрино, сразу выявили самое удивительное свойство свободного нейтрино — почти полное отсутствие взаимодействия его с веществом любым обнаруживаемым образом. Оказалось, что нейтрино свободно проходит без взаимодействия через твердое вещество, как через пустоту. Подсчеты показывают, что нейтрино должно проходить в среднем астрономическое расстояние 1016 км твердого вещества, прежде чем будет захвачено ядром атома данного вещества. Этот путь почти в 100 млн. раз больше расстояния от Земли до Солнца. Были сделаны попытки измерить ионизацию, производимую нейтрино при прохождении через воздух. Эти опыты показали, что если нейтрино и обладает способностью производить ионизацию, то она совершенно ничтожна: не больше одной пары ионов на 500 тыс. км пути в воздухе, в то время как электрон, движущийся со скоростью, очень близкой к скорости света, образует одну пару ионов на каждые 1/* мм пути в вовдухе. Есть основания полагать, что нейтрино движется всегда со скоростью света в пустоте, то-есть 300 тыс. км/сек. Опыты, в которых измерялась ионизация, создаваемая нейтрино, привели к выводу, что в дополнение к тому, что нейтрино не имеет электрического заряда, оно, повидимому, не имеет и магнитного момента. Магнитный момент его, по подсчетам, во всяком случае не больше !/ю ооо магнитного момента, которым обладает электрон. Здесь мы снова сталкиваемся с одной из особенностей нейтрино. Дело в том, что у других элементарных частиц магнитный момент связан с наличием спина, то-есть собственного механического момента. Нейтрино же, обладающее спином, равным спину электрона, обнаруживаемого магнитного момента не имеет. Наибольший интерес вызвал и продолжает до сих пор вызывать вопрос о величине собственной массы нейтрино. Паули, выдвигая свою гипотезу о существовании нейтрино, предполагал, что масса покоя нейтрино примерно равна массе покоя электрона. Однако первые же попытки физиков оценить массу покоя нейтрино из (имеющихся экспериментальных данных показали, что она должна быть значительно меньше, чем масса покоя электрона, либо совсем отсутствовать. Равенство массы покоя нейтрино нулю означало бы, что нейтрино, подобно фотону, в покое не существует, а существует лишь в движении со скоростью света. Исключительная важность последнего утверждения для понимания природы нейтрино побудила физиков к более глубокому изучению вопроса о массе покоя нейтрино. Вся совокупность накопленного экспериментального материала говорит, что масса покоя нейтрино, если она и отлична от нуля, не может быть величиной, большей V2000 массы покоя электрона. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВО-ВАНИЯ НЕЙТРИНО Свободное нейтрино чрезвычайно трудно обнаружить. Главный источник наших сведений о нейтрино — это исследование его в момент образования, то-есть изучение тех эффектов, которые возникают при вылете нейтрино из ядра. Опыты такого рода помогли доказать реальность этой частицы и вывести ряд ее свойств. Первые опыты по экспериментальному доказательству существования нейтрино были выполнены советским физиком А И. Лейпунским еще в 1936 году. Несмотря на то, что определенных выводов из этой работы сделать было нельзя вледствие имевшихся в ней погрешностей, сама работа имеет большое принципиальное значение благодаря остроумию использованных в ней идей. Все последующие опыты по доказательству существования нейтрино тем или иным образом используют идеи первой работы Лейпунского. Идея этих опытов аналогична методу изучения пули при стрельбе из винтовки: скорость и направление движения пули можно определить путем измерения направления и величины отдачи винтовки при выстреле. В процессе Р -распада электрон и нейтрино, вылетающие иа ядра, сообщают ему некоторый импульс, вследствие чего данное ядро приобретает скорость в определенном направлении. Идеальный эксперимент и должен заключаться в точном измерении величины и направления импульсов электрона и ядра. По ним легко определить и импульс, полученный нейтрино. Однако выполнение такого эксперимента крайне сложно, и Лейпунский в своих опытах исследовал только внергии ядер отдачи. По распределению ядер отдачи по энергиям можно также получить сведения об импульсе, полученном нейтрино, или, иначе говоря, доказать реальность нейтрино. Существуют некоторые ядерные реакции, в результате которых выделяется нейтрино. Одной из таких реакций является К-захват, когда с внутреннего электронного слоя атома электрон захватывается ядром атома, и из ядра потом в числе других частиц испускается нейтрино. Примером подобной реакции может служить приведенная на рисунке реакция с бериллием. Выделение нейтрино наблюдается также при переходе протона в нейтрон и при переходе нейтрона в протон. Схематически такие переходы изображены на среднем и крайнем справа рисунках. Ы.РИЛЛИИ В'? 4 чтктрон о литий Lij -НЯЯ >. ГРОКН , оьилочкл ) ( V ЯДРО электрон У Я Л ГО Htm РИНО © прок КПП )Н о- jflEKT' ОН © ь н. ИГРИНО |
