Нейтрино - призрачная частица атома

Глава 6. Античастицы

Лептоны и барионы

Остановимся еще раз на известных нам субатомных частицах. Прежде всего к ним относятся ядра различных элементов. Их мы рассматривать не будем, так как ядра атомов всех элементов, за исключением водорода-1, состоят из еще более мелких частиц. Именно эти частицы, названные физиками элементарными [14], и будут нас интересовать.

Я уже упоминал четыре частицы, которые называют элементарными: протон, нейтрон, электрон и фотон. Их можно разделить на две группы. Протон, нейтрон и другие тяжелые элементарные частицы, открытые после 1932 года, объединены под общим названием барионы(от греческого слова barys — тяжелый). Электрон имеет маленькую массу, а масса фотона равна нулю. Эти и другие легкие частицы, открытые после 1932 года, называют лептонами (от греческого слова leptos — легкий, слабый).

Четыре элементарные частицы можно классифицировать по другому признаку. Протон, электрон и фотон — стабильны.Другими словами, если бы во Вселенной был один-единственный протон (или электрон, или фотон), он существовал бы без изменения бесконечно долго. (Говоря точнее, любая из трех перечисленных частиц может претерпеть изменение, но лишь при взаимодействии с другими частицами.) Нейтрон является нестабильной частицей. Если бы во Вселенной существовал один нейтрон, он рано или поздно, а вероятнее всего в течение нескольких минут, распался бы на протон и электрон. Такая нестабильность свойственна самой природе частицы и не зависит от наличия частиц других видов.

Почему же нейтрон в этом отношении не похож на другие частицы? Превращение нейтрона в протон и электрон сопровождается уменьшением массы. Очевидно, существенно именно это уменьшение массы. Оказывается, при любом спонтанном распаде происходит уменьшение массы. Потерянная масса превращается в энергию. Во Вселенной имеется, по-видимому, общая тенденция перехода от вещества к энергии. Становится понятным тогда, почему стабилен фотон. Он имеет нулевую массу покоя и поэтому не может распасться на частицы меньшей массы. По той же причине стабильна любая частица, не имеющая массы.

Подобные рассуждения, однако, неприменимы для объяснения стабильности электрона. Электрон имеет хоть и ничтожную, но все же конечную массу покоя. Но если тенденция превращения массы в энергию универсальна, почему она щадит электрон? Почему он не распадается на один или несколько фотонов с нулевой массой покоя, энергия которых эквивалентна массе электрона?

Оказывается, этому процессу препятствует закон сохранения электрического заряда. Фотон не несет электрического заряда, и если бы электрон распался на фотоны, что стало бы с его отрицательным зарядом? Насколько физикам известно, не существует частицы с отрицательным зарядом легче электрона. Поэтому электрон не распадается.

А протон? Является ли он самой легкой частицей с положительным зарядом? Ответ оказался отрицательными физикам пришлось искать другое объяснение его стабильности.

Позитроны

Первый намек на существование положительно заряженной частицы легче протона был сделан в 1930 году, когда Поль Дирак сумел математически описать некоторые свойства электрона. Он пришел к заключению, что если его математические расчеты верны, электрон должен существовать в двух разных формах. Одна из них — обычный, хорошо известный электрон, который к к тому времени исследовали уже в течение более тридцати лет. Другая форма была очень похожа на обычный электрон, но вместо отрицательного заряда он имел положительный.

Спустя два года, в 1932 году, американский физик Карл Дэвид Андерсон, изучая космические лучи больших энергий, бомбардирующие Землю, в своем детекторе частиц обнаружил нечто, что вело себя точно так же, как электрон, но под действием магнитного поля отклонялось в противоположную сторону. Значит, эта частица вместо отрицательного заряда несла положительный. Так был открыт положительно заряженный электрон Дирака.

Андерсон назвал эту положительно заряженную частицу позитроном.Хотя этот термин используется чаще всего для названия открытой частицы, он неудачен, так как маскирует близкое родство с электроном. Иногда электрон и позитрон называют отрицательным электроном и положительным электроном.Такое наименование отражено в современных обозначениях этих частиц: e ^-и е ⁺. Чтобы сохранить за электроном его имя, позитрон иногда называют антиэлектроном,где приставка «анти» означает «противоположный». По многим причинам антиэлектрон — наилучшее название, так как другие частицы тоже имеют свои противоположности, для которых используют приставку «анти». Все эти противоположные частицы объединены в группу античастиц.

В настоящее время принято обозначать античастицы символом частицы с горизонтальной линией над ним Так, позитрон можно обозначить 'e ⁺, что указывает на то, что он не просто положительно заряженный электрон, а античастица (в fb2 версии горизонтальная линия заменена на на штрих перед символом из-за ограничений шрифтов — прим. верстальщика).

Вскоре после открытия Андерсона было обнаружено, что позитрон образуется некоторыми радиоактивными атомными ядрами, — конечно, не теми, которые существуют в природе, а специально полученными в лаборатории.

В 1934 году французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, бомбардируя α-частицами атомы алюминия, получили фосфор-30, который спонтанно, т. е. самопроизвольно, излучал позитроны (в виде положительныхβ -частиц)и превращался в кремний-30. Атомный номер фосфора — 15, кремния—14, следовательно, радиоактивный распад можно записать:

P ⁺¹⁵→ Si ⁺¹⁴+ 'e ⁺.

Электрический заряд снова сохраняется, так как 14 + 1 = 15.

Какие же процессы внутри ядра приводят к излучению позитрона? Массовые числа кремния-30 и фосфора-30 одинаковы, так что общее число нуклонов до быть в обоих случаях одним и тем же. С другой стороны, атомный номер ядра кремния-30 на единицу меньше, чем фосфора-30, следовательно, ядро кремния-30 содержит на один протон меньше, чем ядро фосфора-30. Чтобы уменьшить число протонов на единицу, не изменяя общего числа нуклонов, надо одновременно добавить один нейтрон. Другими словами, позитрон излучается тогда, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон. При этом атомный номер уменьшается на единицу а массовое число остается неизменным. Процесс прямо противоположен тому, который приводит к излучению электрона, когда нейтрон превращается в протон. Но этого и следовало ожидать, так как позитрон является как бы зеркальным отображением электрона и все происходящее с ним является отображением событий, происходящих с электроном.

С другой стороны, протон легче нейтрона, поэтому неудивительно, что именно нейтрон спонтанно превращается в протон, так как спонтанные превращения всегда сопровождаются уменьшением массы. Но как же тогда протон спонтанно превращается в нейтрон и испускает позитрон?

Действительно, протон легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, происходят изменения энергии, которые слегка меняют массу отдельных нуклонов. Иногда масса ядра уменьшается, если протон превращается в нейтрон, а иногда, если нейтрон заменяется протоном, изменение массы всецело зависит от строения ядра. В первом случае излучаются позитроны, а во втором — электроны, Конечно, имеются ядра, обладающие при данном числе нуклонов комбинацией нейтронов и протонов, при которой масса минимальна. Тогда превращение протона нейтрон или нейтрона в протон увеличивает массу. Такие ядра не претерпевают никаких спонтанных превращений, они стабильны, если это не тяжелые ядра, которые излучают α-частицы.

Еще раз напомним, что свободные нейтроны могут спонтанно превратиться в протоны, обратное же превращение невозможно.