Vprašajte Ethana #14: Delci z najvišjo energijo v vesolju
- poljudna znanost,
- Fizika
- Prevajanje
Rezultate mojih opazovanj najbolje pojasnim s predpostavko, da sevanje ogromne prodorne energije vstopa v našo atmosfero od zgoraj.
- Victor Hess
Morda mislite, da so najmočnejši pospeševalci delcev - SLAC, Fermilab, LHC - viri največ visoke energije da lahko vidimo. Toda vsega, kar poskušamo narediti na zemlji, ni mogoče primerjati naravni procesi Vesolje.
Bralec vpraša:
Odkar sem kot otrok začel brati stripe Fantastični štirje, sem želel izvedeti več o kozmičnih žarkih. Mi lahko pomagate s tem?
Gremo pogledat.
Še preden je Jurij Gagarin lahko zapustil površje našega planeta, je bilo splošno znano, da je tam zunaj zaščite ozračja vesolje napolnjeno z visokoenergijsko sevanjem. Kako smo vedeli za to?
Prvi sumi so se pojavili med preprostimi poskusi z elektroskopom. 
Če daš električni naboj napravi, v kateri sta med seboj povezani dve kovinski plošči, bosta prejeli enak naboj in se bosta odbijali. Morda pričakujete, da bo naboj sčasoma ušel v okoliški zrak – zato bi morda pomislili, da bi napravo izolirali, na primer tako, da okoli nje ustvarite vakuum.
Toda tudi v tem primeru je elektroskop izpraznjen. Tudi če ga izolirate s svincem, se bo še vedno praznil. Kot so odkrili eksperimentatorji v začetku 20. stoletja, višje ko dvignete elektroskop, hitreje se bo izpraznil. Več znanstvenikov je postavilo hipotezo - do razelektritve pride zaradi visokoenergetskega sevanja. Ima visoko prodorno energijo in izvira izven Zemlje.
V znanosti je običajno preverjanje hipotez. Leta 1912 je Victor Hess izvedel poskus z balon, v katerem je poskušal najti te visokoenergijske kozmične delce. In našel jih je v izobilju ter tako postal oče kozmičnih žarkov.
Zgodnji detektorji so bili presenetljivo preprosti. Nastaviš posebno emulzijo, ki »čuti« prehod nabitih delcev skozi njo, in vse skupaj postaviš v magnetno polje. Ko gredo delci skozi to, se lahko naučite dveh pomembnih stvari:
- razmerje med nabojem in maso delca
- in njegovo hitrost
V tridesetih letih 20. stoletja več poskusov, tako z zgodnjimi zemeljskimi pospeševalniki kot detektorji kozmični žarki, izdali so veliko zanimiv podatek. Na primer, večina delcev kozmičnega sevanja (90 %) je imela različne energijske ravni - od nekaj megaelektrovoltov do tako visokih energij, kot jih lahko izmerite! Večina preostalih so bili delci alfa ali helijeva jedra z dvema protonoma in nevtroni s podobnimi energijskimi ravnmi.
Ko se ti kozmični žarki srečajo zgornji del Zemljino atmosfero, sodelujejo z njo in ustvarjajo kaskadne reakcije, ki ustvarjajo dež visokoenergijskih delcev, vključno z dvema novima: pozitronom, o obstoju katerega je leta 1930 domneval Dirac. Ta je dvojnik elektrona iz sveta antimaterije, enake mase, a s pozitivnim nabojem, mion pa je nestabilen delec z enakim nabojem kot elektron, a 206-krat težji. Pozitron je odkril Carl Andersen leta 1932, mion pa on in njegov študent Seth Neddermeier leta 1936, prvi pozitron pa je nekaj let prej odkril Paul Kuenze, na kar je zgodovina nekako pozabila.
Neverjetna stvar: Če roko iztegnete vzporedno s tlemi, bo skozi njo vsako sekundo šel približno 1 mion.
Vsak mion, ki gre skozi vašo roko, se rodi v plohi kozmičnih žarkov in vsak od njih potrjuje teorijo posebne relativnosti! Vidite, ti mioni nastanejo na nadmorski višini približno 100 km, vendar je povprečna življenjska doba miona približno 2,2 mikrosekunde. Tudi če bi se premikali s svetlobno hitrostjo, bi lahko prepotovali le največ 660 metrov, preden bi razpadli. Toda zaradi popačenja časa, ker se čas delca, ki se giblje blizu svetlobne hitrosti, upočasni z vidika mirujočega opazovalca, lahko ti hitro premikajoči se mioni potujejo vse do površja zemlje, preden razpadejo.
Če preskočimo na današnji dan, smo natančno izmerili število in energijski spekter teh kozmičnih delcev.
Najpogostejši so delci z energijo okrog 100 GeV, približno 1 tak delec vsako sekundo preleti kvadratni meter Zemljine površine. In čeprav obstajajo delci z višjo energijo, so veliko manj pogosti – redkejši so, več energije vzamemo. Na primer, če vzamemo energijo 10 16 eV, bodo takšni delci šli skozi kvadratni meter samo enkrat na leto. Delci z najvišjo energijo z energijo 5 × 10 10 GeV (ali 5 × 10 19 eV) bodo enkrat letno prešli skozi detektor s stranjo 10 km.
Ta ideja je videti precej nenavadna - pa vendar obstaja razlog za njeno izvedbo: obstajati mora omejitev energije kozmičnih žarkov in omejitev hitrosti protonov v vesolju! Energija, ki jo lahko damo protonu, morda ni omejena: z uporabo lahko pospešimo nabite delce magnetna polja, največje in najbolj aktivne črne luknje v vesolju pa lahko pospešijo protone do veliko višjih energij, kot smo opazili.
Toda potovati morajo čez vesolje, da pridejo do nas, in vesolje je polno velik znesek hladno, nizkoenergijsko sevanje – kozmično sevanje ozadja.
Visokoenergijski delci nastajajo samo v območjih, kjer se nahajajo najbolj masivne in aktivne črne luknje v vesolju, vsi pa so zelo oddaljeni od naše galaksije. In če se pojavi delec z energijo, ki presega 5 × 10 10 GeV, bo lahko potoval največ nekaj milijonov svetlobnih let, dokler eden od fotonov, ki ostanejo veliki pok, ne sodeluje z njim, prejemanje potonike. Presežek energije se bo oddal, preostala energija pa bo padla do meje kozmična energija, znana kot meja Greisen-Zatsepin-Kuzmin.
Tako smo storili edino, kar se fizikom zdi razumno: zgradili smo nerealno ogromen detektor in začeli iskati delce!
Observatorij poimenovan po Pierre Auger počne prav to: potrjuje, da obstajajo kozmični žarki, ki dosežejo, vendar ne presežejo te meje energije, 10-milijonkrat večjo od energij, doseženih v LHC! To pomeni, da najhitrejši protoni, kar smo jih kdaj srečali, potujejo skoraj s svetlobno hitrostjo (kar je natanko 299,792,458 m/s), a nekoliko počasneje. Toda koliko počasneje?
Najhitrejši protoni, tik na meji, se gibljejo s hitrostjo 299.792.457,999999999999918 metrov na sekundo. Če izstreliš takšen proton in foton prej
12.4. Energija relativističnega delca
12.4.1. Energija relativističnega delca
Celotna energija relativističnega delca je sestavljena iz energije mirovanja relativističnega delca in njegove kinetične energije:
E = E 0 + T ,
Ekvivalentnost mase in energije(Einsteinova formula) nam omogoča določitev energije mirovanja relativističnega delca in njegove celotne energije na naslednji način:
- energija za počitek -
E 0 = m 0 c 2,
kjer je m 0 masa mirovanja relativističnega delca (masa delca v lastnem referenčnem sistemu); c je hitrost svetlobe v vakuumu, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s;
E = mc2,
kjer je m masa gibajočega se delca (masa delca, ki se giblje glede na opazovalca z relativistično hitrostjo v); c je hitrost svetlobe v vakuumu, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.
Razmerje med masami m 0 (masa delca v mirovanju) in m (masa gibajočega se delca) sta določena z izrazom
Kinetična energija relativistični delec je določen z razliko:
T = E − E 0 ,
kjer je E skupna energija gibajočega se delca, E = mc 2 ; E 0 - energija počitka določenega delca, E 0 = m 0 c 2; masi m 0 in m sta povezani s formulo
m = m 0 1 − v 2 c 2 ,
kjer je m 0 masa delca v referenčnem sistemu, glede na katerega delec miruje; m je masa delca v referenčnem sistemu, glede na katerega se delec giblje s hitrostjo v; c je hitrost svetlobe v vakuumu, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s.
Eksplicitno kinetična energija relativistični delec je definiran s formulo
T = m c 2 − m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 1 − v 2 c 2 − 1) .
Primer 6. Hitrost relativističnega delca je 80 % svetlobne hitrosti. Ugotovite, kolikokrat je skupna energija delca večja od njegove kinetične energije.
rešitev Celotna energija relativističnega delca je sestavljena iz energije mirovanja relativističnega delca in njegove kinetične energije:
E = E 0 + T ,
kjer je E skupna energija gibajočega se delca; E 0 - energija mirovanja določenega delca; T je njegova kinetična energija.
Iz tega sledi, da je kinetična energija razlika
T = E − E 0 .
Zahtevana količina je razmerje
E T = E E − E 0 .
Za poenostavitev izračunov poiščimo obratno vrednost želene vrednosti:
T E = E − E 0 E = 1 − E 0 E ,
kjer je E 0 = m 0 c 2 ; E = mc 2; m 0 - masa mirovanja; m je masa gibajočega se delca; c je hitrost svetlobe v vakuumu.
Zamenjava izrazov za E0 in E v razmerje (T/E) daje
T E = 1 − m 0 c 2 m c 2 = 1 − m 0 m .
Razmerje med masama m 0 in m je določeno s formulo
m = m 0 1 − v 2 c 2 ,
kjer je v hitrost relativističnega delca, v = 0,80c.
Izrazimo masno razmerje od tukaj:
m 0 m = 1 − v 2 c 2
in ga nadomestite v (T/E):
T E = 1 − 1 − v 2 c 2 .
Izračunajmo:
T E = 1 − 1 − (0,80 c) 2 c 2 = 1 − 0,6 = 0,4.
Zahtevana količina je obratno razmerje
E T = 1 0,4 = 2,5.
Celotna energija relativističnega delca pri navedeni hitrosti presega njegovo kinetično energijo za 2,5-krat.
stran 1
Največja energija delcev v Van de Graaffovem generatorju, tako kot v vsakem neposrednem pospeševalniku, je omejena s prebojno napetostjo med kroglo in okoliškimi predmeti. Tudi z najprevidnejšimi varnostnimi ukrepi obstoječe instalacije ne morejo dvigniti prebojne napetosti nad deset milijonov voltov.
Izračunajmo maksimalno energijo delci. Koeficient V2 pri vrednosti amplitude polja EQ dobimo, ker se izračuna povprečna vrednost polja v polciklu nihanj.
Izračunajmo največjo energijo delca. Koeficient 1/2 za amplitudno vrednost E0 polja dobimo, ker izračunamo povprečno vrednost polja v polciklu nihanj.
Izračunajmo največjo energijo delca.
Vrednost W, ki je enaka največji energiji delcev pri 0 K, se imenuje energijski Fermijev nivo ali preprosto Fermijev nivo.
Izguba energije zaradi kozmičnih žarkov omejuje največjo energijo delcev, ki sestavljajo kozmične žarke; ta omejitev je odvisna od starosti delca. V obdobju 1969 - 1971. raketni poskusi so dali 20- do 100-krat večjo skupno gostoto sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja.
Tritij je čist (3-emiter) z največjo energijo delcev 18 61 0 02 keV in razpolovno dobo 12 43 let.
Magnetno polje v ciklotronu doseže več deset tisoč oerstedov, polmer komore je nekaj metrov, največja energija delcev je do 107 eV. Ta energija je relativno majhna, čeprav je v prvih poskusih jedrske cepitve veljala za zadostno. Na ciklotronu ni mogoče doseči visoke energije: kot izhaja iz relativnostne teorije, masa delcev narašča s hitrostjo, zato se njihova frekvenca kroženja med gibanjem zmanjšuje.
Specifičnost učinka sevanja tritija je določena z obsegom njegovih 3-delcev. Največja energija delcev v p-spektru tritija ustreza poti v snovi približno 6 μm, z gostoto snovi 1 g/cm3, 90 % energije sevanja pa se porabi na razdalji približno 0. 5 μm od vira. Slednja okoliščina se izkaže za izjemno pomembno, saj absorpcija sevanja tritija poteka na razdalji reda velikosti žive celice, v nasprotju s p-emiterji, kot sta fosfor-32 ali itrij-90, sevanje ki jo absorbira obsevani organ. V zvezi s tem je pomembno upoštevati znotrajcelično lokalizacijo tritija, ker se radiosenzitivnost subceličnih enot zelo razlikuje.
Coleman [31, 851] je uporabil en sam resonator, v katerem se s pomočjo dveh magnetronov skozi neodvisne sklopne luknje vzbujajo nihanja tipa TM010 s frekvenco 2–8 GHz. Pri skupni vhodni moči 800 kW je največja energija delcev 1 5 MeV.Za vbrizgavanje elektronov v pospeševalno votlino z zahtevano hitrostjo in želenim faznim zamikom se uporablja predzdruževalni resonator, ki bo zagotovil visoko izhodno energijo. Zaporedne elektrode so povezane z uporovnim delilnikom, tako da se njihovi potenciali porazdelijo po paraboličnem zakonu.
Z vidika generiranja novih delcev so še posebej učinkoviti pospeševalniki s trčnimi žarki (VI.5.4.3, VI.5.3.4), v katerih trčijo delci z nič skupno gibalno količino. Zahvaljujoč temu se lahko vsa njihova kinetična energija pretvori v energijo počitka nastajajočih delcev, katerih skupni zagon je prav tako enak nič. To je že zelo blizu največji energiji delcev kozmičnega sevanja.
Beta delci, ki jih oddaja atomska jedra z vsemi možnimi začetnimi energijami (od nič do nekega maksimuma), imajo različne razpone v snovi. Prodorna sposobnost beta delcev različnih radioaktivnih izotopov je običajno označena z najmanjšo debelino plasti snovi, ki popolnoma absorbira vse beta delce. Na primer, 3-5 mm debela plast aluminija popolnoma ščiti pred tokom beta delcev z največjo energijo delcev 2 MeV. Alfa delcev, ki imajo znatno večja masa kot delci beta, ob trku z elektroni atomskih lupin doživijo zelo majhna odstopanja iz prvotne smeri gibanja in se premikajte skoraj naravnost.
IN Zadnja leta vrstica pomembna odkritja v jedrski fiziki je nastala zahvaljujoč široka uporaba metoda debeloslojnih plošč (str. Praksa je pokazala, da ta metoda združuje izjemno preprostost in veliko natančnost raziskovanja. Fotografske plošče, dvignjene na sondirnih balonih in raketah v zgornje plasti atmosfere, omogočajo proučevanje jedrskih transformacij, ki jih povzročajo kozmični žarki. delci z energijami, ki tisočkrat presegajo največjo energijo delcev, pri katerih se pospeši laboratorijske razmere. Hkrati so fotografske plošče primerne tudi za snemanje nizkoenergijskih delcev.
V vseh primerih, opisanih v prejšnjih poglavjih, so bili dosledno upoštevani zakoni ohranjanja. Ko se je kateri od zakonov izkazal za nepopolnega, ga je bilo treba razlagati drugače. Tako se je stari zakon o ohranitvi mase razširil in spremenil v več običajno pravo varčevanje z energijo. Po drugi strani, ko se pričakovani dogodki dejansko niso zgodili, so se domislili nov zakon ohranjanje (kot je bil primer z zakonom o ohranitvi barionskega števila). Vendar pa ni vedno lahko dokazati, da so ohranitveni zakoni natančno izpolnjeni. Še posebej skrivnostna situacija je nastala na zori razvoja jedrske fizike pri preučevanju kinetične energije delcev, ki jih oddajajo radioaktivne snovi.
Energijo delca α lahko določimo z merjenjem mas začetnega radioaktivnega jedra, delca α in končnega jedra. Skupna masa ?-delca in končnega jedra naj bo nekoliko manjša od mase začetnega jedra, energijski ekvivalent manjkajoče mase pa mora biti enak kinetični energiji ?-delca. Fiziki so lahko z visoko natančnostjo izmerili mase različnih jeder in drugih delcev šele v dvajsetih letih našega stoletja. Vendar pa so naredili nekaj pomembnih zaključkov v zvezi z energijami delcev, ne da bi poznali točne vrednosti mas.
Razmislite o toriju-232, ki razpade v delec (helij-4) in radij-228. Vsa jedra torija-232 imajo enako maso. Enako vrednost imajo tudi mase vseh jeder radija-228 in mase vseh?-delcev. Ne da bi poznali velikost teh mas, lahko še vedno rečemo, da mora biti primanjkljaj mase vsakič, ko atom torija-232 odda ?-delec, enak, zato mora biti kinetična energija ?-delcev enaka. Z drugimi besedami, torij-232 bi moral oddajati?-delce z enako energijo.
Kako lahko določimo kinetično energijo delcev? Znano je, da večja kot je energija delca, globlje prodre v snov. ?-Delce zavira zelo tanka plast trdne snovi, vendar lahko preidejo skozi nekaj centimetrov debelo plast zraka. Hkrati β-delci nenehno prenašajo energijo na molekule zraka, s katerimi trčijo, se postopoma upočasnjujejo in, ko zajamejo elektrone, sčasoma postanejo navadni atomi helija. V tem stanju jih ni več mogoče zaznati z metodami za zaznavanje ?-delcev, zato dejansko izginejo.
?-delce je mogoče zaznati s filmom kemične spojine, imenovane cinkov sulfid. Vsakič, ko delec zadene tak film, povzroči šibek blisk svetlobe. Če postavite blizu vira β-delcev (recimo kos torija-232 v svinčeni posodi z zelo ozko luknjo) scintilacijski števec, potem bo število bliskov ustrezalo številu generiranih?-delcev. Če je scintilacijski števec postavljen vedno dlje od vira, bodo morali ?-delci skozi vedno več zraka, da bi ga dosegli. Če bi bili ?-delci oddani z različnimi energijami, bi tisti z najnižjo energijo zelo hitro izginili, »energičniji« ?-delci bi prepotovali daljšo razdaljo v zraku itd. Posledično, ko se scintilacijski števec oddaljuje od vir, bi se moralo število ?-delcev, ki padejo v števec, postopoma zmanjševati. Če bi bili ?-delci oddani z enako energijo, bi vsi potovali po zraku po isti poti. Posledično bi moral scintilacijski števec registrirati enako število delcev, kolikor se oddaljuje od vira, do določene kritične točke, nad katero ne bi registriral niti enega bliska.
Prav ta pojav je leta 1904 opazil angleški fizik William Henry Bragg. Skoraj vsi ?-delci, oddani iz jeder istega elementa, so imeli enako energijo in imeli enako prodorno moč. Vsi delci torija-232 so šli skozi plast zraka debeline 2,8 cm, vse? - delci radija-226 - 3.3 cm, delci a?-polonija-212 - 8.6 cm. Pravzaprav obstajajo nekatera odstopanja. Leta 1929 so odkrili, da ima lahko majhen del delcev istega radioaktivnega jedra nenavadno visoko kinetično energijo in večjo prodorno moč kot ostali. Razlog za to je, da se prvotno radioaktivno jedro lahko nahaja v enem od vznemirjena stanja. V vzbujenih stanjih imajo jedra večjo energijo kot v normalnem stanju osnovni pogoj. Ko jedro v vzbujenem stanju odda ?-delec, ?-delec prejme dodatna energija. Posledično se poleg glavne skupine ?-delcev oblikujejo majhne skupine ?-delcev z večjo prodorno močjo, ena skupina za vsako vzbujeno stanje.
Ko radioaktivno jedro nastane z razpadom drugega jedra, je včasih v vzbujenem stanju od trenutka, ko nastane. Potem ima večina ?-delcev, ki jih oddaja, nenavadno visoko energijo, ?-delcev z nižjo energijo pa tvori majhne skupine. Nastanejo te ločene skupine ?-delcev (od 2 do 13) z različnimi energijami obseg?-delci danega jedra. Vsaka komponenta spektra ustreza, kot je bilo pričakovano, enemu od vzbujenih stanj jedra. Zakon o ohranitvi energije ?-delcev je torej izpolnjen, česar pa v primeru ?-delcev ne moremo reči.
Energija?-delcev
Če bi bili vsi sklepi za ?-delce uporabni za ?-delce in bi bila upoštevana energijska razmerja izpolnjena, bi imeli vsi ?-delci, ki nastanejo pri razpadu jeder, enako kinetično energijo. Vendar se je že leta 1900 ustvaril vtis, da se ?-delci oddajajo s poljubno energijo do določene največje vrednosti. V naslednjih petnajstih letih so se dokazi postopoma kopičili, dokler ni postalo povsem jasno, da energije delcev β tvorijo neprekinjen spekter.
Vsako jedro, ki med razpadom odda delec, izgubi določeno količino mase. Zmanjšanje mase mora ustrezati velikosti kinetične energije ?-delca. V tem primeru kinetična energija β-delca katerega koli od nam znanih radioaktivnih jeder ne presega energije, ki je enaka zmanjšanju mase. Tako zmanjšanje mase med katerim koli radioaktivnim razpadom ustreza največji vrednosti kinetične energije delcev β, ki nastanejo med tem razpadom.
Toda v skladu z zakonom o ohranitvi energije noben od ?-delcev ne sme imeti kinetične energije, manjše od energije, ki je enaka zmanjšanju mase, kar pomeni, da mora biti tudi največja kinetična energija ?-delca minimalna. V resnici temu ni tako. Zelo pogosto se ?-delci oddajajo z manj kinetične energije, kot bi pričakovali, z največjo vrednostjo, ki ustreza zakonu
ohranjanja energije verjetno ne bo mogoče doseči niti z enim?-delcem. Nekateri ?-delci imajo kinetično energijo nekoliko manjšo od največje vrednosti, drugi - veliko manj, tretji - veliko manj. Najpogostejša vrednost kinetične energije je ena tretjina največje vrednosti. Na splošno več kot polovice energije, ki bi morala nastati zaradi zmanjšanja mase med radioaktivnimi razpadi, ki jih spremlja tvorba delcev β, ni mogoče zaznati.
V dvajsetih letih so se številni fiziki že nagibali k opustitvi zakona o ohranitvi energije, vsaj za tiste procese, pri katerih nastajajo?-delci. Obet je bil zaskrbljujoč, saj je zakon v vseh drugih primerih ostal pravičen. Toda ali obstaja druga razlaga za ta pojav?
Leta 1931 je Wolfgang Pauli predlagal naslednjo hipotezo: ?-delec ne prejme vse energije zaradi dejstva, da nastane drugi delec, ki odnese preostalo energijo. Energija se lahko porazdeli med dva delca v poljubnem razmerju. V nekaterih primerih se skoraj vsa energija prenese na elektron in takrat ima skoraj največjo kinetično energijo, kar je enako zmanjšanju mase.
Včasih se skoraj vsa energija prenese na drugi delec, takrat je energija elektrona dejansko nič. Ko je energija enakomerneje porazdeljena med dvema delcema, ima elektron vmesne vrednosti kinetične energije.
Kateri delec zadovoljuje Paulijevo hipotezo? Spomnimo se, da ?-delci nastanejo, ko se nevtron v jedru spremeni v proton. Ko razmišljamo o pretvorbi nevtrona v proton, je nedvomno lažje obravnavati prosti nevtron. Ko je Pauli prvič predlagal svojo teorijo, nevtron še ni bil odkrit. Lahko izkoristimo pogled za nazaj.
Ko prosti nevtron razpade na proton in elektron, slednji odleti s poljubno kinetično energijo do največje, ki je približno enaka 0,78 Mev. Situacija je podobna emisiji delca α z radioaktivnim jedrom, zato je treba pri razpadu prostega nevtrona upoštevati Paulijev delec.
Označimo Paulijev delec X in poskusimo ugotoviti njegove lastnosti. Zapišimo reakcijo razpada nevtronov:
p> p ++ e -+ X.
Če je med razpadom nevtrona izpolnjen ohranitveni zakon električni naboj, X-delec mora biti nevtralen. Dejansko je 0=1–1+0. Ko nevtron razpade na proton in elektron, je izguba mase 0,00029 enot na lestvici atomske mase, kar je približno polovica mase elektrona. če x-delec je celo prejel vso energijo, ki je nastala zaradi izginotja mase, in če je šla vsa energija za nastanek mase, je masa X bi bila le polovica mase elektrona. torej x-delec mora biti lažji od elektrona. Pravzaprav bi moral biti veliko lažji, saj običajno elektron prejme večino sproščene energije, včasih pa skoraj vso. Poleg tega je malo verjetno, da se energija prenese X-delec, popolnoma preide v maso; velik del se spremeni v kinetično energijo X- delci. Z leti množična ocena X-delci so postajali vedno manjši. Končno je postalo jasno, da X-delec, tako kot foton, nima mase, tj. kot foton se od trenutka nastanka širi s svetlobno hitrostjo. Če je energija fotona odvisna od valovne dolžine, je energija X-delci so odvisni od nečesa podobnega.
Posledično Paulijev delec nima ne mase ne naboja in postane jasno, zakaj ostaja »neviden«. Nabite delce običajno zaznamo zaradi ionov, ki jih tvorijo. Nenaelektreni nevtron je bil odkrit zaradi njegove velike mase. Delec brez mase in brez naboja zbega fizika in mu odvzame vsako možnost, da bi ga ujel in preučeval.
Kmalu zatem je Pauli predlagal obstoj X-delci, dobila je ime. Sprva so ga želeli imenovati "nevtron", saj ni nabit, a leto po pojavu Paulijeve hipoteze je Chadwick odkril težak nenabit delec, ki je dobil to ime. Italijanski fizik Enrico Fermi, kar pomeni, da X-delec je veliko lažji od nevtrona, Chadwick je predlagal, da bi ga imenovali x-delec nevtrino, kar v ruščini pomeni »nekaj majhnega, nevtralnega«. Predlog je bil zelo uspešen in od takrat se tako imenuje. Ali so nevtrini običajno predstavljeni z grško črko? "gola" ) in razpad nevtronov zapišemo takole:
p> p ++ e -+ ?..
Nevtrini so nujno potrebni
Paulijevo hipotezo o obstoju nevtrinov in kasnejšo podrobno Fermijevo teorijo o nastajanju nevtrinov so fiziki pozdravili različno. Nihče se ni hotel odpovedati zakonu o ohranitvi energije, čeprav so obstajali resni dvomi, da je treba ta zakon rešiti s pomočjo delca brez mase in brez naboja, delca, ki ga ni mogoče zaznati, delca, katerega edini razlog kajti obstoječa je bila le želja po ohranitvi zakona o ohranitvi energije. Nekateri fiziki so menili, da je delec duhov, nekakšen trik za varčevanje z energijo "računovodstvo". Dejansko je bil koncept nevtrinov preprosto način izražanja, da "zakon ohranitve energije ne drži." Zakon o ohranitvi energije ni bil edini, ki so ga rešili nevtrini.
Razmislimo o mirujočem nevtronu, to je nevtronu z gibalno količino nič glede na opazovalca. Med njegovim razpadom bi moral biti skupni zagon protona in elektrona enak nič, če razpad spremlja nastanek samo dveh delcev. Elektron naj odleti v eno smer, proton pa ravno v nasprotno smer (vendar z manjšo hitrostjo, ker je njegova masa večja ).
Vendar pa ni. Elektron in proton se oddajata v smereh, ki tvorita določen kot. Majhen skupni impulz v smeri emisije delcev se pojavi kot iz nič in zakon o ohranitvi gibalne količine je kršen. Če pa v tem primeru nastane nevtrino, lahko odleti v taki smeri, da natančno kompenzira skupni moment preostalih dveh delcev (slika 6).
Z drugimi besedami, zakon o ohranitvi gibalne količine je izpolnjen le zaradi nevtrinov.
riž. 6. Razpad nevtronov.
Preprosto je videti, da je situacija podobna s kotno količino. Nevtron, proton in elektron imajo vsak spin +1/2 ali -1/2. Predpostavimo, da je vrtenje nevtrona +1/2. Pri njegovem razpadu naj bi bil skupni spin protona in elektrona enak +1/2, če velja zakon o ohranitvi gibalne količine in pri razpadu nastaneta le ta dva delca. Ali je možno? Vrtinja protona in elektrona sta lahko enaka +1/2 in +1/2; +1/2 in -1/2; -1/2 in -1/2, tj. skupni vrtljaj obeh delcev je +1, 0 oziroma -1. Ni enako in nikoli ne more biti enako +1/2 ali -1/2, če je bil sprva nevtronski spin enak -1/2. Skratka, če nevtron razpade samo na proton in elektron, je zakon o ohranitvi vrtilne količine kršen.
Toda predpostavimo, da razpad proizvede nevtrino s spinom +1/2 ali -1/2. Potem bo skupni spin treh delcev, ki izhajajo iz razpada, vedno enak spinu prvotnega nevtrona. Posledično obstoj nevtrinov "rešuje" vsaj tri zakone: zakon o ohranitvi energije, gibalno količino in vrtilno količino. Omeniti velja, da isti delec opravi trojno delo.
Težko je reči, kaj je bilo hujše: prepoznavanje obstoja enega skrivnostnega, duhovitega delca ali kršitev enega ohranitvenega zakona. Veliko lažje je izbrati med duhovitim delcem in kršitvijo treh zakonov ohranjanja hkrati. Fiziki so morali izbrati sablasni delec. Postopoma so jedrski znanstveniki spoznali obstoj nevtrinov. Nehali so dvomiti o resničnosti nevtrinov, ali jih lahko zaznajo ali ne.
Ohranjanje leptonskega števila
Nevtrino ne le reši treh ohranitvenih zakonov, ampak ustvari tudi enega novega. Da bi razumeli, kako se to zgodi, razmislite o nevtrinih v povezavi z antidelci.
Antinevtron razpade na antiproton in pozitron (antielektron). Situacija je podobna razpadu nevtrona. Pozitron odleti z manj kinetične energije, kot bi moral, pozitron in antiproton ne odletita v medsebojno nasprotni smeri, njuna vrtljaja se ne seštevata pravilno. Dodajanje nevtrinov bo v tem primeru vse uravnotežilo.
Seveda se postavlja vprašanje: ali med razpadom antinevtrona in med razpadom nevtrona nastane isti nevtrino?
Ni težko dokazati, da so nevtrini različni. Nevtrino, ki ima vrtenje kot nevtron, ustvarja magnetno polje, ki ima dve različni smeri. Zato nevtrini in antinevtrini obstajajo na enak način kot nevtroni in antinevtroni. Razpad nevtrona povzroči enega od nevtrinskih dvojčkov, razpad antinevtrona pa drugega. Toda kateri od njih spremlja ta razpad?
Opisal sem že zakon o ohranitvi barionskega števila, ki pravi, da celotno barionsko število zaprtega sistema ostaja konstantno. Ali obstaja podoben zakon ohranitve leptonskega števila, po katerem skupno leptonsko število zaprtega sistema ostane nespremenjeno? Zakaj od leptonov ne zahtevamo enako kot od barionov? Na žalost, če nevtrini niso vključeni v obravnavo, tega ni mogoče storiti.
Pripišimo elektronu leptonsko število+1, pozitron ali antielektron pa ima leptonsko število -1. Foton, ki je sam svoj antidelec, ne more imeti leptonskega števila niti +1 niti -1 in bi mu bilo logično pripisati leptonsko število nič. Vsi barioni imajo tudi leptonsko število nič.
Vrnimo se spet k razpadu nevtrona. Začnimo z enim nevtronom, ki ima barionsko število 1 in leptonsko število nič. Predpostavimo, da pri razpadu nevtrona nastaneta le proton in elektron. Proton in elektron morata imeti skupno barionsko število 1 in skupno leptonsko število 0, če sta obe števili ohranjeni. Dejansko je vsota barionskih števil dveh delcev enaka +1 (tj. 1 + 0) v skladu z zakonom o ohranitvi barionskega števila. Tudi skupno leptonsko število protona in elektrona je enako +1 (tj. 1 + 0), čeprav je bilo na začetku reakcije leptonsko število nič. Zato se leptonsko število ne ohrani.
Predpostavimo, da leptoni vključujejo nevtrine in antinevtrine z leptonskim številom + 1 oziroma -1. Potem, ko nevtron razpade na proton, elektron in antinevtrino, se leptonsko število ohrani (0 + 1–1 = 0), razpad pa lahko zapišemo na naslednji način:
p> p ++ e -+ "?,
kje "? - antinevtrino.
Ko antinevtron z nič leptonskim številom razpade, nastanejo antiproton, pozitron in nevtrino. Leptonska števila treh nastalih delcev so 0, -1 in +1, njihova vsota pa je nič:
"P> "R -+ "e ++ ?.
V prostem stanju nevtroni in antinevtroni razpadejo na protone in antiprotone, obratna situacija ne poteka. Vendar pa se znotraj jeder protoni včasih spontano spremenijo v nevtrone (na primer v primeru fosforja-30). Podobno se v antimateriji antiprotoni spremenijo v antinevtrone.
Ko se proton spremeni v nevtron, nastaneta pozitron in nevtrino:
p + > n + "e + + ?.
Ko se antiproton spremeni v antinevtron, nastaneta elektron in antinevtrino:
"p - >"n + e - + ?.
V obeh primerih je leptonsko število ohranjeno. Če povzamemo, lahko rečemo, da mora emisija elektrona proizvesti antinevtrino, emisija pozitrona pa mora proizvesti nevtrino, tako da je na koncu razpada leptonsko število nič.
Če upoštevamo nevtrine in antinevtrine, se leptonsko število ohrani v vseh proučevanih subatomskih procesih. Tako obstoj nevtrinov in antinevtrinov ni le rešil zakonov o ohranitvi energije, gibalne količine in vrtilne količine, temveč je omogočil tudi vzpostavitev zakona o ohranitvi leptonskega števila. Zato je bilo fizikom zelo težko ne prepoznati obstoja teh delcev.
Opombe:
Večja ko je prodorna sposobnost ?-delcev danega jedra, večji je primanjkljaj mase v procesu radioaktivnega razpada in večja je verjetnost tega razpada, tj. večja je prodorna sposobnost ?-delcev, manj obdobja razpolovna doba jedra. Medtem ko ima torij-232 razpolovno dobo 14 milijard let, ima radij-226 razpolovno dobo 1620 let, polonij-212 pa ima razpolovno dobo treh desetmilijonink sekunde.
Če bi me zamikalo, da bi na samem začetku knjige predstavil koncept nevtrinov, bi bilo težko dokazati, da nevtrini niso produkt znanstvene mistike. Ker pa prva polovica knjige poudarja pomen in pomembnost ohranitvenih zakonov, je zdaj mogoče pokazati, da je nevtrino kljub vsem svojim čudnim lastnostim resničen in absolutno nujen delec.
Za razjasnitev značilnosti rešitve Schrödingerjeve enačbe razmislite o obnašanju mikrodelca v enodimenzionalni neskončno globoki potencialni "vodnjaku". Ta vrsta interakcijskega potenciala v naravi ni opažena, vendar je najpreprostejša in lahko prikaže glavne značilnosti rešitve (najbližje je potencialu, ki se uporablja pri obravnavanju obnašanja elektrona v kovini). Tako potencialno "luknjo" opisujejo naslednje relacije za potencialna energija(slika 4):
U = ¥ v območjih 1, 3 za x< 0 и x >a; U = 0 v območju 2 za 0>x>a.
Slika 4. Graf potenciala enodimenzionalne neskončno globoke "luknje".
Zapišimo stacionarno Schrödingerjevo enačbo za območja 1, 3, kjer je U=¥
, (1.14)
njegova edina možna rešitev je j=0. To pomeni, da je verjetnost, da najdemo delec na teh območjih, enaka nič in delec tja ne more prodreti.
Za območje 2 ima stacionarna Schrödingerjeva enačba obliko
, (1.15)
iz teorije diferencialnih enačb sledi, da ima njena rešitev obliko
Zaradi zahteve po kontinuiteti funkcije j mora biti v točkah x=0 in x=a enaka nič, kar izhaja iz rešitve za regije 1, 3. Iz tega sledi, da so razmerja Asin(0)+Bcos (0)=0 mora biti izpolnjeno, Asin(ka)+Bcos(ka)=0 in glede na matematiko bo to takrat, ko je B=0 in ka=pn, kjer je n celo število. Tudi nujni normalizacijski pogoj (1.12) ima v tem problemu obliko
, (1.17)
če vzamemo ta integral, dobimo 
in kot rezultat imamo končni izraz za možne rešitve Schrödingerjeve enačbe v danem problemu
. (1.18)
Ta odločitev kaže, da je obnašanje mikrodelca v enodimenzionalni neskončno globoki potencialni "vodnjaku" lahko različno glede na vrednost števila n; imenujemo ga kvantno število in obravnavamo kot število možno stanje mikrodelci.
Oglejmo si grafe funkcije j 2 (slika 5), ki glede na (1.8) določa verjetnost, da najdemo delec v različne točke"jame" za različna stanja.
Slika 5. Grafi verjetnosti najdenja delca v neskončno globoki potencialni "vodnjaku" za n = 1, 2, 3. Vodoravno, fine linije ustrezajo vrednostim energij stanj (energijski diagram ali ravni možnih energij sistema), debele črte ustrezajo funkciji j 2.
Iz slike 5 je razvidno, da v drugem in tretjem stanju mikrodelec ne more biti lociran na nekaterih točkah »vdolbine« A, B, C, lahko pa je med temi točkami. Poleg tega je jasno, da najmanjša vrednost skupne energije E 1, ki je v območju 2 kinetična energija, ni enaka nič, kar pomeni, da je delec v neprekinjenem gibanju. To vedenje mikrodelcev se bistveno razlikuje od vedenja makrodelcev in vodi do dejstva, da kvantna mehanika klasičnega koncepta trajektorije ni mogoče uporabiti.
Z ugotovljenimi razmerji ka = pn in (1.16) dobimo izraz za celotno energijo delca
(1.19)
ki kaže, da je energija delcev različna stanja drugačen in strogo definiran (ima diskreten spekter). Delec ne more imeti drugih energijskih vrednosti; možne diskretne vrednosti imenujemo kvantne energijske ravni. Podobna kvantizacija mikrodelcev se lahko pojavi tudi pri drugih parametrih: gibalna količina, kotna količina.
Če na enak način obravnavamo bolj realistično situacijo, ko je delec v enodimenzionalni potencialni "vrtini" končne globine (U = Uo v območjih 1,3 za x< 0 и x >a; U = 0 v območju 2 za 0 > x > a), potem za razliko od primera neskončno globoke vrtine funkcija j 2 ne bo enaka nič v regijah 1, 3 niti pri nizkih energijah delcev (slika 6) .
Slika 6. Grafi verjetnosti najdbe delca v potencialni "vodnjaku" končne globine za n = 1, 2, 3.
To pomeni, da lahko delec preseže potencialni "vodnjak", tudi če je njegova energija manjša od Uo, kar se v klasični mehaniki ne more zgoditi. Podoben pojav opazimo, ko obravnavamo obnašanje mikrodelca v bližini enodimenzionalne potencialne "pregrade" (U = 0 v regijah 1,3 za x< 0 и x >a; U = Uo v območju 2 za 0 > x > a). Če v tem primeru rešimo Schrödingerjevo enačbo, lahko ugotovimo, da lahko delec z energijo, manjšo od Uo, preide to »pregrado«.
Takšni pojavi nizkoenergijskih delcev, ki prehajajo skozi potencialne ovire, so povsem kvantni in se imenujejo "tunelski učinki". Te pojave opazujemo eksperimentalno z mikrodelci v različne situacije: poljska emisija - sproščanje elektronov izven kovin pri nizkih temperaturah, avtoionizacija - sproščanje elektronov iz atomov in molekul pod vplivom šibkega električnega polja, ko energija polja ni dovolj za izbruh elektrona z vidika klasična mehanika. V fiziki elementarni delci Podoben pojav opažamo pri radioaktivnem sevanju, ko delci alfa uhajajo iz jeder atomov.
Za atomsko fiziko je zelo pomembno obravnavati obnašanje mikrodelca v polju sile, ko je potencialna energija v skladu z zakonom odvisna od koordinate x; ta primer v klasični mehaniki ustreza harmoničnemu nihanju telesa mase m z a. ciklična frekvenca w o (harmonični oscilator). Približno takšna nihanja v svetu mikrodelcev nastanejo med gibanjem atomov v molekuli, pa tudi med nihanjem molekul okoli vozlišč kristalne mreže v trdnih snoveh.
V klasični mehaniki ima lahko harmonični oscilator poljubno skupno energijo E, njegov največji odmik od ravnotežnega položaja (amplituda nihanja) x o pa je omejen in povezan z energijo z razmerjem 
. V kvantni mehaniki je za analizo značilnosti gibanja harmoničnega oscilatorja potrebno rešiti Schrödingerjevo enačbo z dano potencialno energijo
. (1.20)
Reševanje takšne diferencialne enačbe v analitični obliki je precej težko, vendar so kvalitativne značilnosti podobne prejšnjim primerom. Slika 7 prikazuje grafe dobljene raztopine in možne energijske vrednosti.
Slika 7. Grafi verjetnosti najdenja harmoničnega oscilatorja za n = 0, 1, 2. Vodoravne, tanke črte prikazujejo vrednosti energij stanj (energijski diagram ali ravni možnih energij sistema), debele črte prikazujejo j 2 , pikčaste črte prikazujejo vrsto potenciala.
Možne vrednosti za skupno energijo pri reševanju so določene s formulo
Iz te formule je razvidno, da je celotna energija harmoničnega oscilatorja prav tako kvantizirana in je njena minimalna vrednost pri n = 0 različna od nič, tako kot v prejšnjih primerih. Prisotnost energije ničelne točke je izključno kvantni učinek; to pomeni, da ima delec tudi v območju ničelne potencialne energije kinetično energijo in gibalno količino različno od nič. To pomeni, da se mikrodelec nenehno premika in ne more biti v popolnem mirovanju.
Potrditev prisotnosti nihanj ničelne točke je bila pridobljena v poskusih sipanja svetlobe v kristalih. Po navedbah klasična teorija, pri absolutni ničelni Kelvinovi temperaturi, vibracije atomov okoli vozlišč kristalna mreža zato ne sme priti do sipanja svetlobe zaradi teh vibracij. Eksperimenti kažejo, da intenzivnost razpršene svetlobe pada z nižanjem temperature, vendar tudi pri temperaturah zelo blizu absolutne ničle intenziteta razpršene svetlobe ni enaka nič, kar dokazuje prisotnost nihanj ničelne točke.
Vse zgornje možnosti za rešitve Schrödingerjeve enačbe in prisotnost učinkov v poskusih, pojasnjenih z obravnavanimi primeri, kažejo na potrebo po uporabi kvantno mehanskega opisa obnašanja mikrodelcev.
