Позитрон

Давайте вспомним, какие микрочастицы были известны в начале 1930-х годов, когда ученые впервые заговорили о природе космического излучения. Итак, были конечно же протоны, нейтроны и электроны, кроме того, была еще безмассовая «частица» фотон, формирующая электромагнитное излучение.

Фотон позволяет не утруждать себя размышлениями о действии электромагнитного излучения на расстоянии (см. ч. 11) и дает почву для обоснования еще одного действующего на большом расстоянии явления — гравитации.

Некоторые физики полагают, что гравитационное взаимодействие включает в себя испускание и поглощение частиц, которые они называют гравитонами. Гравитоны, как и фотоны, считаются безмассовыми частицами, распространяющимися, как и все безмассовые частицы, со скоростью света.

Однако гравитационная сила невероятно слабая. Например, сила электростатического притяжения между протоном и электроном в 10⁴⁰ раз превосходит силу гравитационного притяжения между ними. Соответственно гравитон намного слабее среднего фотона, причем настолько, что его так и не удалось обнаружить, и вряд ли это удастся в ближайшем будущем. Тем не менее, допуская его существование, можно составить полную картину Вселенной.

В табл. 13 представлены все эти пять частиц и даны некоторые их свойства. (Свойства гравитона предсказаны, а не измерены практическим путем.) 

Таблица 13.

СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СУБАТОМНЫХ ЧАСТИЦ

Начиная с 1950-х годов принято называть все легкие частицы пептонами (от греч. «малый»), а тяжелые — барионами (от греч. «тяжелый»). Согласно этой классификации, гравитон, фотон и электрон являются лептонами, а протон и нейтрон — барионами.

Было бы очень удобно, если бы во Вселенной вся материя и вся энергия состояли лишь из этих трех лептонов и двух барионов и из них же строились бы все 100 с хвостиком элементов, из которых, в свою очередь, состояло бы все остальное: от звезд до человеческого мозга.

Первый признак того, что не все во Вселенной так просто, был обнаружен еще до открытия нейтрона. В 1930 году английский физик Поль Дирак (1902–1984), рассматривая электрон теоретически, предположил, что электрон должен существовать в одном из двух различных энергетических состояний: в одном состоянии он является обычным электроном, а во втором — несет положительный, а не отрицательный заряд.

Какое-то время это утверждение оставалось сугубо теоретическим. В 1932 году американский физик Карл Андерсон (1905–1991) занимался изучением космических частиц, используя камеру Вильсона, разделенную пополам свинцовой перегородкой. Андерсон предполагал, что, проходя сквозь свинец, космическая частица потеряет значительную часть своей энергии, на выходе будет сильнее отклоняться магнитным полем и изучать ее свойства станет проще. Однако некоторые космические лучи, проходя сквозь свинец, ударялись об атомные ядра, вызывая вторичное излучение.

На одной из сделанных Андерсоном фотографий частица была запечатлена в момент выхода из свинца. Судя по кривизне траектории, ее масса равнялась массе электрона, однако она отклонялась в противоположную сторону. Эта частица и является положительно заряженным электроном, о котором говорил Дирак.

Андерсон назвал частицу позитроном, и это название прижилось. Позитрон, обладая свойствами, противоположными более распространенной частице, принадлежит к классу частиц, которые мы сегодня называем античастицами. Если бы позитрон был обнаружен сегодня, его назвали бы антиэлектроном, впрочем, иногда его именно так и называют.

С обозначением позитрона все немного запутанней. Можно использовать полное обозначение, подписывая в нижнем регистре заряд, а в верхнем — массу, то есть обозначая электрон как _–1e⁰, а позитрон как ₁e⁰. Основным недостатком такой записи является ее громоздкость. Большинство физиков считают, что им совсем не обязательно все время напоминать о заряде и массе (особенно потому, что масса не равна, а лишь близка к 0). Поэтому электрон часто обозначают просто как e^–, а позитрон как e⁺. Но и у такого обозначения есть свои недостатки. Как выяснилось позже, у некоторых античастиц заряд такой же (или он также отсутствует), как и у противоположных им частиц. Поэтому в некоторых случаях удобнее обозначать античастицу полосой над символом. Таким образом, электрон обозначается как e, а позитрон как ?.

Позитроны определенным образом связаны с радиоактивностью. Для того чтобы понять, как именно, давайте вспомним, как с радиоактивностью связаны электроны.

Когда количество нейтронов слишком велико и ядро начинает терять устойчивость, положение можно исправить, преобразовав нейтрон в протон путем испускания электрона. В полной записи (с обозначением массы и заряда) этот процесс выглядит так:

₀n¹ ? ₁p¹ + _–1e⁰. (Уравнение 13.1)

В результате образования еще одного протона атомное число нуклида увеличивается на единицу, однако массовое число остается неизменным, так как протон образуется за счет исчезновения одного нейтрона.

Возьмем, например, фосфор, единственным стабильным изотопом которого является фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов). Радиоактивный фосфор–32 (15 протонов, 17 нейтронов) в силу избытка нейтронов должен испустить один электрон в виде бета-частицы, что и происходит. Фосфор–32 испускает бета-частицы и превращается в стабильный изотоп серы–32 (16 протонов, 16 нейтронов).

Все встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, как долгоживущие, так и живущие недолго, обладают избытком нейтронов и в процессе перестройки ядра для достижения устойчивости испускают электроны (а также альфа-частицы).

А что произойдет, если искусственным путем создать радиоизотоп с дефицитом нейтронов в ядре? Для достижения устойчивости необходимо увеличить количество нейтронов за счет протонов. Этот процесс можно описать формулой, обратной формуле 13.1. Происходит поглощение электрона протоном, аналогичное К-захвату (см. гл. 8).

₁p¹ + _–1e⁰ ? ₀n¹. (Уравнение 13.2)

Однако существует вероятность и другого процесса. В то время как нейтрон может превратиться в протон путем испускания электрона, протон, по аналогии, может превратиться в нейтрон путем испускания позитрона:

₁p¹ + ₀n¹ ? ₁e⁰. (Уравнение 13.3)

Испускание позитрона (или положительно заряженной бета-частицы) приводит к обратному испусканию электрона результату. Атомное число нуклида уменьшается на единицу вследствие исчезновения протона, а массовое число остается опять-таки неизменным, так как на месте протона появляется электрон.

Фосфор–30 — самый первый полученный искусственным путем радиоизотоп — имел дефицит нейтронов в ядре; В то время как ядро стабильного фосфора–31 состоит из 15 протонов и 16 нейтронов, ядро фосфора–30 состоит из 15 протонов и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор–30, период полураспада которого 2,6 мин, испускает позитрон и превращается в стабильный кремний–30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив фосфор–30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие позитрона Андерсоном.

В лабораторных условиях было получено большое количество излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее известным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода–14.

В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звездах. В процессе слияния четырех ядер водорода–1 в одно ядро гелия–4, которое имеет 2p/2n структуру, два протона преобразуются в нейтроны, испуская два позитрона:

₁Н¹ + ₁Н¹ + ₁Н¹ + ₁Н¹ ? ₂He⁴ + ₁e⁰ + _–1e⁰ (Уравнение 13.4)