Бета-распад

Бета-распад — тот ядерный процесс, при котором нейтрон превращается в протон или наоборот. Он — исходная точка всей физики нейтрино: именно на нём обнаружилось, что энергия как будто пропадает, и из этого пробела возникло предположение, что существует нейтрино.

Три формы

Бета-минус-распад. Нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Ядро сдвигается в периодической системе на одно место вверх. Это самый частый случай и тот, который обычно имеют в виду.

Бета-плюс-распад. Протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Ядро сдвигается на одно место вниз. В свободном состоянии этого не происходит никогда — отдельный протон стабилен, — но происходит в составе ядра, когда энергия связи тому благоприятствует.

Электронный захват. Ядро притягивает к себе электрон из самой внутренней оболочки и превращает тем самым протон в нейтрон. Здесь возникает только нейтрино и никакой другой заряженной частицы. Именно этот процесс использовал Морис Гольдхабер в 1958 году для измерения спиральности.

Что за этим стоит

На уровне кварков процесс прост. Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка, протон — наоборот. При распаде d-кварк превращается в u-кварк и испускает при этом W-бозон, который тут же распадается на электрон и антинейтрино.

Поскольку W-бозон примерно в восемьдесят раз тяжелее протона, он уходит совсем недалеко — и потому слабое взаимодействие столь медлительно. Свободный нейтрон живёт в среднем около 880 секунд, то есть неполные четверть часа. Для ядерных процессов это вечность.

Загадка непрерывного спектра

В 1914 году Джеймс Чедвик установил, что электроны из бета-распада имеют совершенно разные энергии. При любом другом ядерном процессе энергия резко определена: ядро перескакивает из одного состояния в другое, и разность появляется полностью.

Здесь же был широкий спектр — от почти нуля до некоторого предельного значения. Куда девалось остальное?

Пятнадцать лет длился спор, не идёт ли речь об ошибке измерения. В 1930 году Лизе Мейтнер и Вильгельм Ортман решили вопрос с помощью калориметра: они измеряли не отдельные электроны, а всё выделившееся тепло. Будь спектр артефактом, количество тепла должно было бы соответствовать предельному значению. Оно соответствовало среднему.

Значит, энергия действительно исчезала.

Два выхода

Нильс Бор всерьёз обдумывал отказ от закона сохранения энергии в малом.

Вольфганг Паули счёл это более высокой ценой и в декабре 1930 года предложил другой путь: невидимую частицу, которая уносит недостающую энергию.

Энрико Ферми сделал из этого в 1934 году теорию, которая не только спасала баланс, но и предсказывала форму спектра, — и измеренная форма совпала. Тем самым вынужденное решение Паули стало проверенной физикой.

Почему форма спектра важна и сегодня

На верхнем конце спектра, где электрон получает почти всю энергию, нейтрино не остаётся почти ничего. Если оно обладает массой, то нужно затратить по меньшей мере необходимую для неё энергию — и спектр обрывается на крошечный кусочек раньше.

Именно это измеряет KATRIN на тритии. Это единственный подход к массе нейтрино, обходящийся без модельных допущений.

Двойной случай

У некоторых ядер простой бета-распад энергетически запрещён, а двойной разрешён. Тогда два нейтрона превращаются одновременно. Периоды полураспада составляют 10¹⁸ лет и более — и всё же этот распад был измерен.

Ищут вариант без нейтрино. Он был бы возможен только в том случае, если нейтрино есть собственная античастица, и тем самым ответил бы на один из старейших открытых вопросов. Подробнее — на странице Двойной бета-распад.

Где этот процесс встречается ещё

Бета-распад — не лабораторное дело. Он порождает реакторные нейтрино, благодаря которым в 1956 году удалась первая регистрация нейтрино. Он даёт геонейтрино, по которым можно определить тепловой баланс Земли. Он стоит в начале ядерного синтеза на Солнце. И он лежит в основе радиоуглеродного датирования.

Родственные понятия

• Вольфганг Паули — предложение 1930 года
• Лизе Мейтнер — решающее измерение
• Энрико Ферми — теория
• KATRIN — сегодняшнее применение

Источники

• E. Fermi: Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
• L. Meitner, W. Orthmann: Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).