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.