Trochę historii

Przed poznaniem głównego bohatera strony - neutrina, proponujemy Ci zapoznanie się z historią badań nad promieniowaniem jądrowym, a w szczególności nad promieniowaniem beta. Okaże się bowiem, że nasz główny bohater odgrywa w tym procesie podstawową rolę, która jednak przez wiele dziesięcioleci nie była znana. Niewiedza ta doprowadziła do licznych problemów z wyjaśnieniem procesu rozpadu beta, a niektórych fizyków (np. wielkiego Nielsa Bohra) doprowadziła nawet do zanegowania zasady zachowania energii...

Krótki wstęp

Świat składa się z atomów. Atomy są obiektami złożonymi z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów. Jądro natomiast składa się z neutronów (cząstek neutralnych elektrycznie) i protonów (cząstek o ładunku dodatnim). Protony i neutrony są również obiektami złożonymi składającymi się z kwarków i wiążących je gluonów. Kwarki i elektrony nie mają wewnętrznej struktury i są nazywane cząstkami fundamentalnymi. Dwie inne ważne cząstki fundamentalne to mion i taon - zwane również ciężkimi elektronami. Każda cząstka materii ma odpowiadającą sobie cząstkę antymaterii o tej samej masie, jednak przeciwnych cechach (np. ładunku). Na przykład anty-elektron (zwany pozytonem) ma ładunek dodatni.


Na stronach naszego serwisu przedstawimy historię okrycia i badania jednej z najdziwniejszych i najbardziej tajemniczych cząstek materii, neutrina. Zanim jednak wprowadzimy naszego głównego bohatera na scenę, trzeba opowiedzieć trochę o tle, na jakim główny bohater zagra. A tłem tym jest ogólna wiedza o świecie atomów i cząstek elementarnych, oglądana z dwu perspektyw - naukowca współczesnego i fizyka początku XX wieku, gdy koncepcja neutrina dopiero miała się narodzić.

Planetarny model atomu E. Rutherforda.Planetarny model atomu E. Rutherforda.

Na początek trochę wiedzy szkolnej. Świat składa się z atomów materii. Każdy z atomów złożony jest z jądra atomowego o ładunku dodatnim i z krążących wokół jądra elektronów (właściwie posługując się językiem współczesnego fizyka elektrony owe nie krążą wokół jądra, po prostu gdzieś tam wokół jądra są, jednak bez większego uszczerbku na poprawności możemy wyobrażać sobie elektrony jako krążące po orbitach kuleczki). Elektrony mają ładunek ujemny, sumarycznie równy ładunkowi jądra. Jądro atomowe znajduje się w centrum atomu i jest złożone z dwu rodzajów cząstek: neutronów i protonów. Protony obdarzone są elektrycznym ładunkiem dodatnim, zaś neutrony nie posiadają ładunku. Rodzaje atomów różnią się pomiędzy sobą właśnie ilością protonów, które zawierają ich jądra. Atom wodoru (najprostszy z atomów) ma jądro, którym jest pojedynczy proton. Atom helu natomiast posiada w swoim jądrze dwa protony, zaś atom uranu aż dziewięćdziesiąt dwa. Atomy tego samego pierwiastka mogą zawierać natomiast różną ilość neutronów, na przykład wodór występuje w trzech odmianach: bez, z jednym, lub z dwoma neutronami (najbardziej rozpowszechniona jest odmiana bez-neutronowa). Odmiany tego samego pierwiastka o różnej ilości neutronów nazywają się izotopami.

Jądro atomowe.Jądro atomowe.

Elektrony są cząstkami nie posiadającymi żadnej wewnętrznej struktury (do chwili obecnej takiej struktury nie odkryliśmy). Protony i neutrony zaś mają wewnętrzną strukturę i są obiektami złożonymi. W skład każdego protonu i neutronu wchodzą trzy cząstki - kwarki. Ogólnie w przyrodzie istnieje sześć różnych rodzajów kwarków (o nazwach: górny, dolny, dziwny, powabny, prawdziwy i piękny - ładne nazwy, prawda?). Większość z nich jednak nie wchodzi w skład materii, z którą mamy do czynienia każdego dnia. W skład zwykłej materii wchodzą jedynie kwarki: górny i dolny. I tak proton złożony jest z trzech kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego, zaś neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. Kwarki górne mają ładunek dodatni +2/3 ładunku protonu, zaś kwarki dolne ładunek ujemny -1/3 ładunku protonu. Oprócz kwarków protony i neutrony (nazywane wspólną nazwą nukleony) zawierają w swoim wnętrzu pewną liczbę cząstek o nazwie gluony. Gluony są cząstkami, które działają jak klej (glue to klej w języku angielskim). Ich zadaniem jest związanie ze sobą kwarków. Z zadania tego wywiązują się tak dobrze, że niemożliwe jest wyrwanie pojedynczego kwarku z wnętrza nukleonu, tzn. nie można uzyskać swobodnego, wolnego kwarku. Kwarki zawsze pozostają uwięzione wewnątrz nukleonów (bądź innych, o których jednak nie będziemy mówić, cząstek materii).

Wodór i hel.Wodór i hel.

Podsumujmy teraz nasz (dodajmy słowo "uproszczony") model mikroświata. Świat składa się z atomów, atomy zaś posiadają jądro atomowe i krążące wokół niego elektrony. Jądro atomowe złożone jest z dodatnich protonów i neutralnych neutronów. Obiekty te określamy wspólną nazwą - nukleony. W skład nukleonów wchodzą po trzy kwarki (dwóch typów) oraz gluony wiążące silnie owe kwarki. Kwarki, elektrony i gluony nie posiadają wewnętrznej struktury. Kwarkowa struktura protonu i neutronu.Kwarkowa struktura protonu i neutronu.

Aby nasz obraz nie był zbyt prosty, dodajmy do niego kilka dodatkowych szczegółów, które okażą się istotne w naszych poszukiwaniach neutrin. Elektron ma dwóch braci o nazwach mion oraz taon. Cząstki te posiadają wszystkie cechy elektronu prócz masy. Mion jest około dwustu razy cięższy od elektronu, zaś taon cięższy jest od mionu kolejne 20 razy. Obie cząstki nie występują w przyrodzie w sposób naturalny. Fizycy są jednak w stanie je wyprodukować zderzając znane cząstki (np. protony) przyśpieszone do dużych prędkości. W czasie takiego zderzenia w małej objętości kumulowana jest ogromna energia, a zgodnie z zasadą równoważności energii i masy (sławnym wzorem E=mc2) zgromadzona energia może zamienić się w masę nowych cząstek elementarnych, w tym mionów i taonów. Oba rodzaje cząstek żyją bardzo krótki czas i po ułamku sekundy rozpadają się na zwyczajne elektrony, no i ... Ale o tym procesie dowiesz się dopiero na następnych stronach naszego serwisu.

Zderzenie dwóch protonów - produkcja nowych cząstek.Zderzenie dwóch protonów - produkcja nowych cząstek.

Drugim szczegółem, który dodamy do naszego obrazu, jest istnienie antymaterii. Okazuje się, że każda cząstka materii ma odpowiadającą sobie antycząstkę. Antycząstki nie są, jak niektórym się wydaje, jakimiś wyjątkowo dziwnymi bytami. Mają one po prostu wszystkie liczby kwantowe (sic!) przeciwne do liczb kwantowych odpowiadających im cząstek. Aby zejść na ziemię, zastąpmy określenie "liczby kwantowe" słowem "cechy" i wszystko zaraz stanie się jasne. Na przykład znany nam elektron opisywany jest cechą o nazwie ładunek elektryczny i cecha ta przyjmuje dla niego wartość ujemną -1. Anty-elektron (nazywany również pozytonem) ma zgodnie z tym, co powiedzieliśmy, wszystkie cechy przeciwne, w tym również ładunek, tzn. obdarzony jest ładunkiem dodatnim o wartości +1. Proste, prawda? A co z masą anty-elektronu? Czy jest ona przeciwna do masy elektronu, czyli ujemna? Nie! Masy antycząstek są dokładnie takie same jak masy odpowiadających im cząstek materii. W momencie spotkania cząstki materii z odpowiadającą jej cząstką antymaterii następuje zamiana ich mas w energię. Proces ten nazywa się anihilacją. Wyzwolona energia może opuścić punkt spotkania w formie na przykład światła. Tor pozytonu.Tor pozytonu.

Ostatnią komplikacją, którą dodamy do naszego obrazu mikroświata, są oddziaływania. Znamy cztery rodzaje oddziaływań: grawitacyjne - które dotyczy wszystkich obiektów obdarzonych masą, elektromagnetyczne - które dotyczy obiektów obdarzonych ładunkiem elektrycznym, silne jądrowe - które wiąże ze sobą nukleony w jądrze atomowym oraz wiąże ze sobą kwarki wewnątrz nukleonów, słabe jądrowe - które jest odpowiedzialne za rozpady nietrwałych cząstek, w tym np. za rozpady beta, o których dowiesz się na kolejnej stronie. Oddziaływania są przenoszone również za pomocą cząstek, które nazywane są cząstkami oddziaływania. I tak oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone jest za pośrednictwem fotonów, silne jądrowe przy pomocy opisanych wcześniej gluonów, zaś słabe jądrowe (którym zajmiemy się później) przy pomocy bozonów pośredniczących. Sytuacja nie jest jednak aż tak prosta. Okazuje się bowiem, że mikroświat opisywany jest językiem dualizmu korpuskularno-falowego, tzn. oddziaływania mogą być opisane w języku cząstek pośredniczących, jak i w języku fal. Na przykład oddziaływania elektromagnetyczne opisuje się za pomocą fotonów i za pomocą fal elektromagnetycznych. W niektórych eksperymentach oddziaływania zachowują się jak cząstki, a w innych jak fale. Oddziaływania są więc zarówno cząstkami jak i falami. Dziwne? Tak, ale właśnie taka jest natura mikroświata opisywanego mechaniką kwantową. Zresztą okazuje się, że również zwykłe cząstki materii muszą być opisywane przy użyciu tych dwu języków - korpuskularnego i falowego. Przedstawiony powyżej obraz mikroświata to obraz, jaki powstał po przeszło stu latach badań cząstek elementarnych. Dalej możesz zobaczyć skróconą historię owych badań i lata, w których dokonywano najważniejszych odkryć. Na następnej stronie zaproponujemy Ci podróż w czasie do przełomu XIX i XX wieku, kiedy współczesna fizyka dopiero zaczynała raczkować.

Wybrane odkrycia z historii rozwoju fizyki cząstek

400 p.n.e. Koncepcja atomu Demokryt z Abdery
Aby dowiedzieć się więcej:
1804 Prawo masowe John Dalton
Aby dowiedzieć się więcej:
1869 Tablica okresowa Dmitrij Mendelejew
Aby dowiedzieć się więcej:
1894 Odkrycie elektronu John Thomson
Aby dowiedzieć się więcej:
1896 Promieniotwórczość Henri Becquerel
Aby dowiedzieć się więcej:
1905 Ruchy Browna Albert Einstein,
Marian Smoluchowski
Aby dowiedzieć się więcej:
1911 Planetarny model atomu Ernest Rutherford
Aby dowiedzieć się więcej:
1913 Model kwantowy atomu Niels Bohr
Aby dowiedzieć się więcej:
1928 Kwantowy opis cząstek elementarnych Paul Dirac
Aby dowiedzieć się więcej:
1932 Odkrycie pozytonu Carl Anderson
Aby dowiedzieć się więcej:
1932 Odkrycie neutronu James Chadwick
Aby dowiedzieć się więcej:
1935 Teoria oddziaływań silnych Hideki Yukawa
Aby dowiedzieć się więcej:
1938 Rozszczepienie jądra Otto Frisch,
Lisa Meitner
Aby dowiedzieć się więcej:
1938 Teoria syntezy jądrowa Hans Bethe
Aby dowiedzieć się więcej:
1942 Reaktor jądrowy Enrico Fermi
Aby dowiedzieć się więcej:
1956 Odkrycie neutrina Frederic Reines,
Clyde Cowan
Aby dowiedzieć się więcej:
1964 Model kwarkowy Murray Gell-Mann,
George Zweig
Aby dowiedzieć się więcej:
lata 60-te Model nukleonu Richard Feynman
Aby dowiedzieć się więcej:
1973 Współczesna teoria oddziaływań silnych Frank Wilczek,
David Gross,
David Politzer
Aby dowiedzieć się więcej:
1975 Odkrycie kwarku powabnego  
Aby dowiedzieć się więcej:
1979 Odkrycie gluonów  
Aby dowiedzieć się więcej:
1980 Odkrycie kwarku pięknego  
Aby dowiedzieć się więcej:
1983 Odkrycie bozonów pośredniczących  
Aby dowiedzieć się więcej:
1996 Odkrycie kwarku prawdziwego  
Aby dowiedzieć się więcej:
1998 Odkrycie oscylacji neutrin  
Aby dowiedzieć się więcej:
2007-9 Odkrycie cząstki Higgsa (?)  
Aby dowiedzieć się więcej:

Czy wiesz, że...

Ostatecznym potwierdzeniem istnienia atomów było wyjaśnienie zjawiska ruchów Browna (czyli chaotycznych ruchów drobin kurzu zawieszonych w płynie wywoływanych uderzeniami atomów płynu) przez Einsteina i Smoluchowskiego (polskiego fizyka) w 1905 roku. Pierwszy składnik atomu - elektron - został zaś odkryty dziesięć lat wczesniej przez Thomsona.


Więcej na ten temat:

› Przygoda z cząstkami
› Atom wspaniały świat
› wikipedia.pl
› wikipedia.org

Odkrycie promieniowania

Na przełomie XIX i XX wieku Henri Becquerel zaobserwował, iż substancje zawierające uran emitują promieniowanie zdolne zaciemnić płytę fotograficzną. Niedługo odkryte zostały kolejne pierwiastki emitujące promieniowanie: polon, rad i tor. Okazało się, że promieniowanie to ma trzy składowe nazwane alfa, beta i gamma. Promieniowanie alfa zostało zidentyfikowane jako jądra helu, beta jako elektrony, zaś gamma jako wysokoenergetyczne fale elektromagnetyczne. Okazało się również, że jądro emitujące promieniowanie beta lub alfa ulega przemianie w jądro innego rodzaju. Następuje jego rozpad.


Był rok 1896. Fizycy odkryli dopiero co promieniowanie rentgenowskie (zwane X). Odkrycie to, dokonane przypadkiem, wydało się wielu naukowcom wierzchołkiem góry lodowej. Zamierzali oni więc przebadać dokładnie różne zjawiska towarzyszące emisji promieniowania X. Jednym z takich zjawisk była fluorescencja (wysyłania przez niektóre ciała pobudzone naświetlaniem z zewnątrz własnego światła). Zjawiskiem tym zajął się Henri Becquerel.

Henri Becquerel w laboratorium.W swoim doświadczeniu Becquerel użył płyty fotograficznej owiniętej szczelnie dwoma nieprzepuszczającymi światła czarnymi arkuszami papieru. Na tak przygotowanej płycie położył substancję, która pobudzana światłem miała przejawiać zjawisko fluorescencji. Traf chciał, że ową substancją był kryształ siarczanu uranowo-potasowego (dziś uran kojarzy nam się z promieniowaniem, ale wtedy, przed odkryciem owego, pozostawał on zupełnie zwyczajnym minerałem). Układ poddawany był następnie wielogodzinnemu naświetlaniu promieniami słonecznymi. Becquerel zakładał, że w czasie fluorescencji kryształ siarczanu emitować będzie również promieniowanie X lub podobne do niego, które przeniknie przez czarny papier i spowoduje zaczernienie płyty fotograficznej. I udało się! Po zakończeniu doświadczenia i wywołaniu zdjęcia wyraźne zaczernienie było widoczne. Następnym krokiem była seria doświadczeń, w których naukowiec umieszczał różne przedmioty pomiędzy owiniętą płytą fotograficzną, a kryształem siarczanu. W ten sposób uzyskiwał on "zdjęcia" owych przedmiotów wykonane przy użyciu badanego promieniowania. Również i w tych doświadczeniach kryształy były pobudzane do fluorescencji światłem zewnętrznym.

Płyta po wywołaniu.Henri Becquerel chciał już powiadomić cały świat o odkryciu przez siebie "fluorescencyjnego promieniowania", jednak jego intuicja naukowca podpowiedziała mu, by sprawdził jeszcze jedną rzecz. Aby być pewnym, że to fluorescencja jest czynnikiem decydującym o wyniku doświadczenia, postanowił położyć płytę fotograficzną obok nieoświetlonego, a wiec nie wykazującego zjawiska fluorescencji kryształka siarczanu. Jakież było jego zdziwienie, gdy i tym razem wywołana płyta wykazywała wyraźne zaczernienie! Okazało się, że to nie fluorescencja, ale sam badany związek odpowiedzialny jest za powstanie dziwnego promieniowania, które przenikając przez papier powoduje zaczernienie płyty. Wkrótce Becquerel wykazał, że to uran zawarty w kryształku siarczanu jest źródłem owego efektu - inne substancje zawierające domieszki uranu powodowały zaczernienie, przy czym zupełnie nieistotne było, czy owe substancje miały zdolność fluorescencji, czy nie. Zjawisko to, nazwane promieniotwórczością, poruszyło ponownie świat naukowy. Badacze postawili sobie za cel odkrycie, czym jest owa tajemnicza promieniotwórczość i jakie ma ona cechy.

Maria Curie-Skłodowska z Piotrem w laboratorium.Dwa lata po odkryciu Becquerela Maria Skłodowska-Curie, wraz z mężem Piotrem, odkryła substancje, które są znacznie silniejszym źródłem promieniowania niż uran. Substancje te okazały się zawierać zupełnie nowe pierwiastki. Pierwsza z nich została nazwana radem, zaś druga na cześć ojczyzny Marii polonem.

Wkrótce naukowcy badający uran, rad, polon i odkryty niedługo później przez Ernesta Rutherforda (tak, tego samego, który kilka lat później zaproponował planetarny model atomu) tor zaobserwowali, iż promieniowanie nie ma natury jednorodnej i w przyrodzie występują trzy rodzaje promieniowania, nazwane: alfa, beta oraz gamma. Promieniowanie alfa jest najmniej przenikliwe i łatwo podlega absorpcji, mając trudności z przeniknięciem nawet przez cienką kartkę papieru. Drugi rodzaj, promieniowanie beta, z łatwością przeniknie nawet przez grubą gazetę, lecz centymetrowej grubości płyta aluminiowa stanowi dla niego przeszkodę nie do pokonania. Najbardziej przenikliwe promieniowanie gamma jest zatrzymywane dopiero przez dość grube warstwy ołowiu. Przenikliwość jednakże to nie jedyna cecha rozróżniająca trzy rodzaje promieniowania. Zapewne pamiętasz o tym, że obiekty obdarzone ładunkiem elektrycznym przechodząc przez obszar pola magnetycznego zakrzywiają tor swego ruchu, przy czym kierunek owego zakrzywienia jest różny w zależności od znaku ładunku. Otóż po przepuszczeniu promieniowania przez obszar pola magnetycznego okazało się, że promieniowanie typu alfa zakrzywiane jest w stronę, w którą zakrzywiane powinny być obiekty obdarzone ładunkiem dodatnim, promieniowanie beta w stronę przeciwną, zaś promieniowanie gamma nie jest zakrzywiane wcale. Wniosek - cząstki alfa, czymkolwiek by nie były, muszą nieść dodatni ładunek elektryczny, cząstki beta muszą nieść ujemny ładunek elektryczny, zaś promieniowanie gamma nie jest obdarzone ładunkiem elektrycznym.

Promieniowanie przechodzi przez materię.Promieniowanie przechodzi przez materię.

Na przełomie wieków fizycy mieli opanowaną umiejętność pomiaru stosunku ładunku do masy dla różnych cząstek materii. Robili to wykorzystując pole magnetyczne oraz pole elektryczne, które to pola wpływają na tor poruszających się w ich zasięgu naładowanych cząstek materii. Po odpowiednim wykorzystaniu obu pól oraz prostych przekształceniach wzorów z zakresu szkoły średniej (patrz tutaj) udaje się wyznaczyć ów stosunek. Po przeprowadzeniu doświadczenia okazało się, iż cząstka promieniowania alfa ma stosunek ładunku do masy dwa razy mniejszy niż cząstka zjonizowanego wodoru (zjonizowany wodór to jądro wodoru, a jądro wodoru to zwyczajny pojedynczy proton). Niedługo później w sąsiedztwie substancji promieniotwórczej odkryto cząstki helu. I wszystko ułożyło się w spójną całość. Okazuje się, że tajemnicze cząstki promieniowania alfa to nic innego jak jądra helu, które są cztery razy cięższe od jądra wodoru i obdarzone dwa razy większym ładunkiem (stąd stosunek ładunku do masy dwa razy mniejszy niż dla wodoru). Jądro substancji promieniotwórczej emituje jądro helu (cząstkę alfa). Po emisji jądro ma ładunek mniejszy o dwa ładunki protonu (dwa protony zostały wysłane wraz z jądrem helu). Jądro po emisji jest więc innego rodzaju niż przed emisją.

Zagięcie toru w zewnętrznym polu magnetycznym.Zagięcie toru w zewnętrznym polu magnetycznym.

Podobne badania przeprowadzono dla promieniowania beta. W tym wypadku okazało się, że stosunek ładunku do masy cząstki beta jest identyczny z owym stosunkiem wyznaczonym dla elektronu (który sam został odkryty zaledwie rok przed odkryciem promieniowania). Cząstka beta jest więc elektronem emitowanym przez jądro atomowe. W wyniku emisji jądro atomowe zwiększa swój ładunek o jeden (aby zgodnie z zasadą zachowania ładunku elektrycznego ładunek całego układu nowe jądro - elektron pozostał równy ładunkowi jądra sprzed rozpadu) i staje się jądrem innego rodzaju. Skąd w jądrze był elektron i w jaki sposób jądro zwiększa swój ładunek? Dziś już wiemy, że rozpad ten tak naprawdę jest przemianą jednego z neutronów siedzących w jądrze w elektron, proton i coś, o czym dowiesz się na kolejnych stronach tego serwisu... Elektron z rozpadu neutronu opuszcza jądro, zaś proton w nim zostaje zwiększając jego ładunek o jeden ładunek protonu.

Rozpad alfa Rozpad beta

Czymże jest jednak promieniowanie gamma? Przypomnijmy, że jest ono bardzo przenikliwe i nie jest obdarzone ładunkiem elektrycznym. Okazuje się, że w przeciwieństwie do promieniowania beta i alfa, gamma nie ma natury cząsteczki materii. Jest natomiast, podobnie jak zwykłe światło widzialne, promieniowaniem elektromagnetycznym. Jednak długość fal tego promieniowania jest znacznie mniejsza niż długość fal dla światła widzialnego.


Notki biograficzne: Becquerel || Skłodowska-Curie


Czy wiesz, że...

Oprócz promieniowania beta w przyrodzie istnieje również promieniowanie beta plus, gdzie zamiast emisji elektronu z jądra emitowany jest tzw. anty-elektron, cząstka do złudzenia przypominająca elektron, jednakże obdarzona ładunkiem dodatnim!


Więcej na ten temat:

› O promieniotwórczości
› Alfa, beta i gamma
› eduseek.pl
› Wiedza i Życie

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

Zasady zachowania

Po odkryciu, iż elektrony emitowane w rozpadzie beta nie charakteryzują się jedną konkretną energią, okazało się, że rozpad ten opisywany prostym modelem: jądro pierwotne zamienia się w jądro pochodne emitując elektron, nie jest zgodny z zasadą zachowania energii. Pojawił się też problem ze zmuszeniem elektronu, aby przed zajściem rozpadu pozostawał w jądrze atomowym. Ten ostatni problem został rozwiązany po wykryciu, iż w jądrze obok protonów znajdują się również neutrony, a rozpad beta polega na przemianie neutronu w proton. W czasie tej przemiany powstaje elektron, który wyrzucany jest z jądra. Niestety model taki nie tłumaczył problemu z zasadą zachowania energii.


Przyjrzymy się teraz rozpadom beta z innej strony. Ze strony zasad zachowania. Zasady zachowania są w fizyce fundamentem, na którym muszą opierać się wszystkie tworzone teorie. Oczywiście same zasady nie pozostają niezmienne, wciąż podlegają ewolucji i wciąż muszą być potwierdzane doświadczalnie, jednak są zawsze ważnymi drogowskazami rozwoju fizyki.

Chyba najważniejszymi i zarazem najstarszymi zasadami zachowania są zasady zachowania pędu i energii. Na początku XX wieku zasady te zostały przeformułowane w języku fizyki relatywistycznej opracowanej przez Alberta Einsteina. Najistotniejszą zmianą było dodanie do zasady zachowania energii członu odpowiadającego za energię spoczywającego obiektu. Obiekt taki ma energię daną sławnym równaniem E=mc2, gdzie m to masa, zaś c to prędkość światła. Energię spoczynkową trzeba uwzględniać rozpatrując procesy subatomowe, w tym rozpady jąder. Zazwyczaj bowiem całkowita masa produktów reakcji jest mniejsza niż całkowita masa jej substratów. Część energii spoczynkowej jest w takim procesie zamieniana w energię kinetyczną produktów oraz w energię fotonów (korpuskuł światła) powstających w czasie reakcji.

Kolejną ważną zasadą jest zasada zachowania ładunku elektrycznego. Okazuje się, że w przyrodzie ładunek elektryczny jest wielkością zachowaną, tzn. nie istnieje reakcja, która w czasie zachodzenia gubiłaby lub produkowała ładunek. W pierwszej chwili stwierdzenie takie może wydać się nieprawdziwe. W końcu jeśli spotkają się ze sobą proton i elektron, oba obiekty obdarzone niezerowym ładunkiem, powstanie atom wodoru, który jest elektrycznie obojętny. Jednak tak jak w przypadku pozostałych zasad zachowania i tutaj trzeba brać pod uwagę cały układ biorący udział w reakcji. Przed reakcją bowiem całkowity ładunek układu (protonu + elektronu) jest równy zeru, po reakcji, gdy powstanie atom wodoru, całkowity ładunek układu jest również równy zeru.

Trzecią ważną zasadą zachowania jest zasada zachowania momentu pędu. Moment pędu w rozumieniu klasycznym jest wielkością określającą jak trudno jest zatrzymać obracający się obiekt. Im większa prędkość obrotów oraz masa kręcącego się obiektu, tym oczywiście jest to trudniejsze. Jeśli kręcący się obiekt rozpadnie się na kilka mniejszych, ich wypadkowy moment pędu musi być identyczny z momentem pędu obiektu przed rozpadem. I znowu początek wieku XX zmodyfikował tę znaną od dawna zasadę zachowania. W 1925 roku George Uhlenbeck i Samuel Goudsmit odkryli spin elektronu. W 1927 roku David Dennison wprowadził pojęcie spinu dla protonu. Spin można wyobrażać sobie jako wirowanie cząstek względem pewnej osi. Cząstki obdarzone są więc pewnym własnym momentem pędu. Jest jednak istotna różnica z tym, co znamy z fizyki makroświata. Okazuje się, że wirowanie cząstek jest skwantowane, tzn. może przyjmować tylko konkretne wartości. Spin (wewnętrzny moment pędu) elektronu, protonu i neutronu może przyjmować jedynie jedną wartość oznaczaną 1/2. Wirowanie takiego obiektu może za to odbywać się w dwu kierunkach - zgodnym ze wskazówkami zegara oraz przeciwnym. Potocznie mówimy, że ma wartość spinu +1/2 lub -1/2 (stwierdzenie takie nie jest do końca poprawne, ale nam wystarczy). Inne stany, łącznie ze stanem w którym cząstka pozostaje w spoczynku i się nie kręci, nie są dozwolone! Przy rozpatrywaniu reakcji jądrowych i badaniu zasady zachowania momentu pędu trzeba uwzględniać spiny zarówno produktów jak i substratów.

Zobaczmy teraz jak działają powyższe zasady zachowania dla rozpadu beta.

Zasady zachowania energii

W rozpadzie beta jądro atomowe jednego rodzaju zamienia się w jądro innego rodzaju. Zgodnie z naszą wiedzą, zdobytą na tej stronie do tego momentu, w czasie rozpadu beta z jądra emitowany jest elektron. Jak proces ten wygląda pod względem zachowania energii? Jądro przed przemianą na ogół spoczywa. Całkowita energia początkowa układu równa się więc energii spoczynkowej owego jądra. Po rozpadzie jądro pochodne jest lżejsze od jądra pierwotnego, to znaczy, iż jego energia spoczynkowa jest mniejsza niż całkowita energia początkowa. Część brakującej energii odnajduje się w masie wyemitowanego elektronu. Po dodaniu energii spoczynkowej elektronu i powstałego jądra atomowego okazuje się jednak, że nadal energia ta jest mniejsza od energii początkowej. Jest to oczywiste, bowiem część energii początkowej została zamieniona w energię kinetyczną uciekającego elektronu (energia kinetyczna, jaką zabrało znacznie cięższe od elektronu jądro atomowe jest zaniedbywalnie mała, może być policzona dzięki użyciu innego prawa zachowania - prawa zachowania pędu). No dobrze, ale skoro są ustalone - masa jądra początkowego, masa jądra końcowego oraz masa elektronu, a więc wszystkie energie spoczynkowe pojawiające się w problemie, to energia zamieniana w energię kinetyczną musi być również ustalona. Powtórzmy to jeszcze raz. Energia spoczynkowa jądra początkowego zgodnie z zasadą zachowania energii odnajduje się w sumie energii spoczynkowej jądra końcowego, energii spoczynkowej elektronu i energii kinetycznej elektronu. Skoro pierwsze trzy są z góry ustalone, to i czwarta wielkość musi być stała. Tymczasem w wyniku doświadczenia okazało się, że energia elektronu pochodzącego z rozpadu beta nie jest stała i zmienia się od rozpadu do rozpadu! Model rozpadu beta zaproponowany przez nas: jądro pierwotne jądro -› pochodne + elektron, jest niezgodny z zasadą zachowania energii!!! Trzeba zmodyfikować model albo odrzucić zasadę zachowania energii...

Zasada zachowania energii w rozpadzie beta?

Zasady zachowania ładunku

W rozpadzie beta z jądra emitowany jest elektron o ładunku ujemnym. Jeśli jądro atomowe przed rozpadem zawierało Z protonów (czyli jego ładunek równy był Z ładunkom elementarnym), to po rozpadzie, aby zneutralizować wyemitowany elektron, ładunek jądra musi wynosić (Z+1) ładunków elementarnych, tzn. w jądrze na końcu reakcji musi znajdować się o jeden proton więcej niż przed reakcją. Skąd wziął się ten dodatkowy proton? W latach 30-tych XX wieku istniała teoria, mówiąca że w jądrze atomowym o ładunku +Z ładunków elementarnych mającym liczbę masową A, znajduje się A protonów oraz A-Z elektronów. Elektrony te neutralizują ładunek nadmiarowych protonów. Rozpad beta polegałby w takim modelu na wyrzuceniu jednego z owych konstytuentnych elektronów z jądra. W procesie tym w naturalny sposób jądro nabierałoby dodatkowego ładunku dodatniego i w równie naturalny sposób pojawiałby się na zewnątrz elektron. Niestety obliczenia dokonywane w ramach mechaniki kwantowej pokazywały, iż elektronu w żaden sposób nie da się utrzymać wewnątrz jądra atomowego, co stało w sprzeczności z powyższym modelem.

W 1932 James Chadwick dokonał odkrycia zupełnie nowej cząstki jądrowej - neutronu. Niedługo później Ettore Majorana zaproponował model jądra atomowego, które składałoby się z Z protonów i (A-Z) neutronów. W modelu takim nie były potrzebne elektrony wewnątrz jądra atomowego. Jednak jak wytłumaczyć w tym wypadku rozpad beta? Da się to zrobić zakładając, że jeden z neutronów w atomie w pewnym momencie zamienia się w proton. Aby w takiej reakcji ładunek był zachowany, dodatkowo musi pojawić się elektron obdarzony ładunkiem ujemnym. Wprowadzenie neutronów do jądra atomowego pozwala więc rozwiązać problem niemożności utrzymania elektronów w jego wnętrzu i jednocześnie podać nowy opis rozpadu beta. Model ten nie rozwiązuje jednak problemu z zasadą zachowania energii. Pojawia się też nowa niezgodność, o której powiemy za chwilę.

Zasada zachowania ładunku w rozpadzie beta

Czy wiesz, że...

Bliscy odkrycia neutronu byli Frederic i Irene Joliot-Curie (córka Marii). Doświadczenie, które przeprowadzili, polegało na bombardowaniu tarczy berylowej jądrami helu (cząstkami alfa). W wyniku bombardowania z tarczy uwalniane było promieniowanie pewnego rodzaju, które było bardzo przenikliwe i mogło wybijać protony z tarczy wodorowej umieszczonej nawet za grubą osłoną ołowianą. Promieniowanie to, jak się okazało, było właśnie neutronami. Niestety państwo Joliot-Curie nie zinterpretowali poprawnie wyniku doświadczenia.

Zasady zachowania momentu pędu

Na poprzedniej stronie przedstawiliśmy model rozpadu beta, zgodnie z którym rozpad ten polega na przemianie jednego z neutronów zawartych w jądrze atomowym w proton oraz elektron. Elektron następnie opuszcza jądro i jest rejestrowany jako promieniowanie beta. Powiedzieliśmy również, że neutron, proton oraz elektron mają wewnętrzne momenty pędu - spiny. Zgodnie z zasadą zachowania całkowity moment pędu układu (którym jest neutron) przed reakcją musi równać się całkowitemu momentowi pędu układu po reakcji (układem tym jest układ proton-elektron). Po reakcji mogą pojawić się trzy różne konfiguracje cząstek: proton i elektron wirujące w tym samym kierunku, który jest zgodny z ruchem wskazówek zegara (wtedy wypadkowy spin wynosi +1), wirujące w kierunku zgodnym, ale przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (wtedy wypadkowy spin wynosi -1), oraz sytuacja, w której obie cząstki wirują w kierunkach przeciwnych (wypadkowy spin wynosi 0). W żadnej z powyższych możliwości całkowity moment pędu na końcu reakcji (całkowity spin) nie jest równy całkowitemu momentowi pędu przed reakcją. W naszym prostym modelu znów pojawia się problem. (Rozwiązanie tego problemu było możliwe przy pewnych szczególnych założeniach na gruncie modelu neutron - proton + elektron, jednak rozwiązanie to nie było szczególnie eleganckie i nie będziemy go tu prezentować.)

Zasada zachowania momentu pędu w rozpadzie beta

Czy wiesz, że...

Pojęcie spinu pojawia się w sposób naturalny w równaniu sformułowanym w 1928 przez Paula Diraca. Równanie to opisuje cząski elementarne łącząc język mechaniki kwantowej z językiem szczególnej teorii względności. Oprócz spinu z równania tego wynika konieczność istnienia antymaterii, która odkryta została kilka lat po jego sformułowaniu.