Нейтрино

Из опытов было установлено, что при α-распаде какого-либо изотопа вылетающие из его ядер α-частицы обладают определенной энергией, характерной для данного изотопа, величину которой можно легко вычислить.

При β-распаде наблюдается иная картина. Вылетающие при распаде одинаковых ядер β-частицы обладают самыми различными энергиями, не превышающими, однако, характерной для данного изотопа максимальной величины. Эта максимальная энергия соответствует той энергии электронов, которая получается при расчете ядерной реакции на основании закона сохранения энергии. Возникает вопрос: куда исчезает часть энергии, когда электроны вылетают с меньшей скоростью?

В 1930 г. швейцарский физик В. Паули высказал гипотезу о том, что при β-распаде из ядра вылетают две частицы: электрон и легкая нейтральная частица, уносящая часть освобождающейся энергии. Эта частица не оставляет следов, и ее не удавалось обнаружить.

В 1933 г. Э. Ферми разработал теорию β-распада и назвал эту частицу нейтрино, т. е. «маленький нейтрон». Позднее были обнаружены ядерные реакции с образованием позитронов — β⁺-распад. В этом случае одновременно с позитроном из ядра также должно вылетать нейтрино, получившее обозначение v. Та частица, которая вылетает из ядра вместе с электроном при β^—-распаде, была переименована в антинейтрино (v).

Нейтрино и антинейтрино подобны друг другу, но отличаются тем, что спин (вектор собственного момента количества движения), антинейтрино направлен в сторону его поступательного движения (т. е. это «правовинтовая» частица), а спин нейтрино направлен в сторону, противоположную движению («левовинтовая» частица). Обе частицы, как и фотон, движутся со скоростью света и имеют массу покоя, равную нулю.

Нейтрино и антинейтрино образуются при распаде внутриядерных нуклонов. При β^—-распаде один из нейтронов внутри ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино:

₀n¹ → ₁p¹ ↔↕ _-1e⁰ + v.

Электрон и антинейтрино вылетают из ядра, а протон и оставшиеся нуклоны образуют новое ядро.

При β⁺-распаде ядра, содержащего избыток протонов, один из них превращается в нейтрон и одновременно испускаются позитрон и нейтрино:

₁p¹ →₀n¹ + ₊₁e⁰ + v.

Эта реакция протекает с поглощением энергии, поскольку масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому может происходить только в ядре. В свободном состоянии протон — стабильная частица.

В отличие от протонов, свободные нейтроны подвержены самопроизвольному β^—-распаду, поскольку масса нейтрона больше суммы масс протона и электрона. Период полураспада свободных нейтронов составляет около 12 мин.

Возникновение антинейтрино при β^—-распаде свободных нейтронов подтверждается не только законом сохранения энергии, но и законом сохранения количества движения (импульса). Действительно, если бы нейтрон распадался только на две частицы — протон и электрон, то при распаде неподвижного (или движущегося медленно) нейтрона они должны были бы разлетаться по одной прямой в противоположные стороны. В действительности следы протона и электрона в камере Вильсона составляют какой-то угол. Следовательно, одновременно с ними образуется третья частица.

Теория β-распада хорошо согласовывалась со всеми экспериментальными результатами. Однако обнаружить нейтрино и антинейтрино очень долго не удавалось. Дело в том, что эти очень маленькие нейтральные частицы практически совсем не взаимодействуют с веществом: пролетая мимо нуклона или сквозь него, они находятся в контакте с нуклоном столь короткое время, что в подавляющем большинстве случаев просто не успевают вступить с ним во взаимодействие. Поэтому они обладают огромной проникающей способностью, легко пронизывая Землю, Солнце.

Антинейтрино было обнаружено только в 1956 г. Американские физики Ч. Коуэн и Ф. Рейнес зарегистрировали захват антинейтрино протоном:

₁p¹ +v → ₀n¹ +₁e⁰,

с образованием нейтрона и позитрона.

Источником антинейтрино служил ядерный реактор. Хотя вероятность захвата антинейтрино протоном ничтожно мала, при работе ядерного реактора антинейтрино образуются в таком большом количестве (порядка 10¹⁸ за 1 с), что изредка такие события все же наблюдаются. Вскоре было зарегистрировано и нейтрино.