Promieniowanie beta

Nowo odkryte promieniowanie było na początku XX wieku przedmiotem wielu badań. Między innymi próbowano wyznaczyć energię elektronów wchodzących w skład promieniowania beta. Istniały dwie konkurencyjne teorie. Pierwsza mówiła, że elektrony powstające w czasie rozpadu powinny za każdym razem mieć taką samą energię kinetyczną. Druga teoria mówiła, że energia elektronów powinna zmieniać się od rozpadu do rozpadu. Przy czym teoria ta wymagała istnienia jakiegoś czynnika, który odpowiadałby za owe różnice w energii. Niezwykle precyzyjne doświadczenia prowadzone w latach 20-tych pokazały, że energia rzeczywiście nie jest stała. Co było tym tajemniczym czynnikiem, nie było jasne...


W poprzednim paragrafie dowiedziałeś się, że jądro atomowe w wyniku rozpadu może emitować trzy różne rodzaje promieniowania - alfa, beta i gamma. Dowiedziałeś się również, że promieniowanie alfa to nic innego jak jądra helu (dwa protony + dwa neutrony), które wyrzuca z siebie rozpadające się jądro, promieniowanie beta to elektrony wyrzucane przez jądro, zaś promieniowanie gamma to fale elektromagnetyczne o bardzo niewielkiej długości. W tym paragrafie powiemy kilka dodatkowych słów na temat drugiego z owych rodzajów promieniowania. Bowiem to właśnie promieniowanie beta doprowadzi nas w końcu do bohatera owej witryny - neutrina.

Na początku XX wieku fizycy zaczęli systematyczne badania własności elektronów pochodzących z rozpadu beta jąder atomowych. Pierwszym i najważniejszym celem badań było wyznaczenie energii kinetycznej tych cząstek. Generalnie istniały dwie możliwości. Zgodnie z pierwszą z nich wszystkie elektrony emitowane w rozpadzie beta powinny mieć identyczne energie. Koncepcja ta była popierana przez większość ówczesnych naukowców, bo wydawała się najprostsza i przez to najbardziej elegancka. Zgodnie z drugą koncepcją emitowane elektrony powinny charakteryzować się różnymi energiami. Zgodnie z nią musiałby istnieć jakiś nieznany czynnik, który w chwili rozpadu ustalałby inną za każdym razem energię emitowanej cząstki beta. Oczywiście taki czynnik nie był na początku wieku znany, więc koncepcja ta była mało popularna. W fizyce jednak tak już jest, że prawdy nie ustala się przez głosowanie. Prawda ustalana jest w wyniku doświadczenia.

Spektrum energii dla dwu teorii opisujących rozpad beta

Doświadczenia takie zostały przeprowadzone w różnych laboratoriach. Ich zasada polegała na wpuszczaniu wiązki promieni beta w obszar jednorodnego, prostopadłego do kierunku ruchu cząstek pola magnetycznego. W polu magnetycznym tor naładowanych cząstek ulega zakrzywieniu. Zakrzywienie to jest tym większe im wolniej porusza się cząstka (mówiąc najogólniej cząstka naładowana w takim polu porusza się po torze, którym jest okrąg, im cząstka ma większą energię tym promień okręgu jest większy). Promień zakrzywienia można mierzyć przegradzając tor cząstek jakimś detektorem. Za detektor taki może służyć błona fotograficzna (ulega zaczernieniu pod wpływem uderzających w nią cząstek), bądź detektor oparty na zjawisku przebicia (na przykład licznik Geigera). Pomiary tą metodą nie dały jednak jednoznacznej odpowiedzi na pytanie. Wprawdzie zaobserwowane zostało, że elektrony mają ciągły rozkład energii, jednak rozkład ten mógł być przecież wynikiem wtórnych oddziaływań elektronów i wynikających stąd strat energii w czasie opuszczania materiału promieniotwórczego, a nie przejawem faktu, iż elektrony na początku, tuż po rozpadzie, miały różne energie. Zaobserwowane elektrony o energii większej traciłyby w czasie przechodzenia przez materię po prostu mniej energii niż elektrony, których zmierzona energia była mniejsza.

Pomiar energii cząstek naładowanych

Aby ostatecznie rozstrzygnąć problem energii elektronów beta w 1925 roku dwóch fizyków: Charles Drummond Ellis i William Wooster przeprowadziło niezwykle czułe doświadczenie. Doświadczenie polegało na zamknięciu grudki bizmutu (pierwiastka promieniotwórczego) wewnątrz bloku ołowianego. Bizmut w wyniku swojego rozpadu emitował cząstki beta, które trafiały do bloku ołowianego i tam były absorbowane. W wyniku absorpcji zwiększała się energia samego bloku, a więc rosła jego temperatura. I to właśnie ten wzrost temperatury (który był rzędu ułamków stopnia) był mierzony przez Ellisa i Woostera. Ostatecznie znając wzrost temperatury bloku, jego masę oraz ilość rozpadów, które nastąpiły w próbce (fizycy zmierzyli w oddzielnym doświadczeniu średnią ilość rozpadów na sekundę w wykorzystywanej przez siebie próbce bizmutu), można wyznaczyć energię emitowaną w jednym rozpadzie. Jeśli energia przypadająca na jeden rozpad jest zawsze taka sama, a mierzone wcześniej spektrum jest efektem wtórnym, wynikiem doświadczenia powinna być energia odpowiadająca maksymalnej energii obserwowanej w spektrum. Jeśli natomiast spektrum odpowiada początkowym energiom emitowanych cząstek, energia zmierzona w doświadczeniu powinna odpowiadać średniej wartości owego spektrum. Jaki był wynik eksperymentu? Okazało się, że zmierzona wartość jest w doskonałej zgodności ze średnią wartością otrzymaną ze spektrum, tzn. elektrony w rozpadzie beta nie są emitowane z jedną konkretną wartością energii, lecz ich energie z niewiadomych przyczyn zmieniają się od rozpadu do rozpadu!!! Jaki jest powód tego efektu? Cóż, fizycy w latach dwudziestych nie wiedzieli. Trzeba było kolejnych dziesięciu lat, aby odkryć odpowiedź. Na szczęście my nie musimy czekać dekady. Odpowiedź znajduje się kilka stron dalej. Zanim jednak ją podamy, przedstawimy jeszcze kilka efektów związanych z rozpadem beta, które nijak nie pasowały do obrazu mikroświata zbudowanego w pierwszym 20-leciu XX wieku.


Czy wiesz, że...

W rozpadzie alfa danego jądra atomowego cząstki helu opuszcząjących rozpadające się jądro mają takie same energie. Energie te są jednak różne dla różnych jąder atomowych. Mierząc energię cząstek alfa pochodzących z pewnej próbki można zidentyfikować substancje promieniotwórcze wchodzące w jej skład.


Więcej na ten temat:

› Zasady zachowania
› wikipedia.org
› physics_2000