2. Превращение частиц и слабое взаимодействие

Условия стабильности ядер

Сильное взаимодействие позволяет понять причину стабильности атомного ядра. Но во время опытов мы наблюдаем, что ядра не содержат произвольное число протонов и нейтронов. Например, ядра, состоящего только из двух протонов без единого нейтрона, не существует (оно абсолютно нестабильно). Ядро, состоящее из двух нейтронов и одного протона, также нестабильно (как у трития).

Что говорит опыт о стабильности ядер? У всех легких элементов, начиная с гелия, мы видим, что количество нейтронов совпадает с количеством протонов. Например, углерод содержит 6 нейтронов и 6 протонов, в то время как кислород содержит 8 нейтронов и 8 протонов. Таким образом, необходимо понять, почему легкие атомы с разным числом протонов и нейтронов нестабильны.

Атомы с дефицитом нейтронов

Нестабильность ядер, имеющих дефицит нейтронов, объясняется довольно просто: если накапливать протоны один за другим, их положительный заряд будет расти, что создаст мощное электростатическое отталкивание, которое не сможет компенсировать сильное взаимодействие (не будем забывать, что протоны «белого цвета»). Если добавить нейтроны, это увеличит сильное взаимодействие, без усиления электростатического отталкивания. В каком-то смысле, склеиваясь с протонами, нейтроны служат «цементом», отдаляя протоны друг от друга, что уменьшает их электростатическое отталкивание (➙ рис. 28.5). По этой причине необходимо как минимум такое же число нейтронов, как и протонов, чтобы ядро было стабильным.

Водород – единственное исключение, поскольку его единственный протон не испытывает отталкивания другого протона, что могло бы разрушить ядро, – таким образом, водороду не нужен нейтрон.

Рис. 28.5 – Избыток протонов и нестабильность ядра

Протоны обозначены темным цветом, нейтроны – светлым.

(а) – электростатическое отталкивание доминирует над сильным взаимодействием между протонами: ядро расщепляется.

(b) – присутствие нейтронов отдаляет протоны друг от друга, уменьшая электростатическое отталкивание. Зато сильное взаимодействие увеличивается, потому что действует между протонами и нейтронами. Ядро гелия стабильно.

Атомы с избытком нейтронов

А что мешает ядру иметь больше нейтронов, чем протонов? Ответ содержится в массе кварков: кварк d немного тяжелее кварка u. Это значит, что нейтрон (d, d, u) немного тяжелее протона (u, u, d). Теория относительности говорит нам, что нейтрон обладает большей энергией, чем протон: его «энергия массы» E = mc² больше.

Между тем изолированный объект не может приобрести энергию; зато он может ее потерять, если сумеет излучить эту энергию в другой форме. Например, электрон атома, расположенный на верхней орбитали, может потерять энергию из-за действия электромагнитной силы: он создает фотон, который аннулирует разницу в энергии. В этом случае именно наличие электромагнитной силы позволяет электрону терять энергию.

А как обстоит с нейтроном? Он хотел бы превратиться в протон, что позволило бы ему потратить энергию. Но для такой трансформации нужна сила, подобная электромагнитной. Кроме того, такое превращение привело бы к внезапному образованию положительного заряда, поскольку нейтрон стал бы протоном, – откуда же возьмется заряд?

Как и фотон, гравитон и глюон не имеют зарядов, их излучение не может изменить заряд нейтрона, чтобы создать протон. Между тем превращение нейтрона в протон действительно наблюдается: это значит, что должна существовать еще одна сила, чья обладает частица-переносчик имеет заряд, в отличие от фотона, гравитона или глюона. Эта сила называется слабым ядерным взаимодействием.

Природа слабого взаимодействия

Переносчик слабого взаимодействия

Название частицы – переносчика слабого взаимодействия звучит совершенно не романтично: W-бозон. Он может быть заряжен положительно или отрицательно (то есть существует два типа W-бозонов). Отметим, что существует также Z-бозон, незаряженный, но в дальнейшем мы не будем его рассматривать.

На практике кварк d нейтрона может превратиться в кварк u с более слабой энергией благодаря слабому взаимодействию: при этом он излучает W-бозон, который аннулирует не только разницу энергии, но и разницу заряда.

Нейтрон, состоящий из кварков (d, d, u), теперь содержит кварки (d, u, u): это настоящий протон. Заряд W-бозона соответствует противоположности заряда протона (то есть это заряд электрона). Таким образом, общий заряд остается нейтральным. Раньше нейтрон не был заряжен, потом совокупность протон + W-бозон также остается незаряженной (➙ рис. 28.6).

Рис. 28.6 – Превращение нейтрона в протон

Спонтанное излучение W-бозона

Как и излучение фотона атомом, излучение нейтроном W-бозона подчиняется квантовым процессам: это значит, что есть лишь некоторая вероятность, что этот феномен произойдет. Чем больше мы ждем, тем больше шансов его наблюдать.

Возьмем единственный нейтрон: его период полураспада составляет пятнадцать минут. Это значит, что есть один шанс из двух, что нейтрон превратится в протон в течение первых пятнадцати минут своего существования.

К счастью, нейтрон в ядре в основном гораздо стабильнее. Возьмем, например, ядро гелия: оно состоит из двух нейтронов и двух протонов. Если бы нейтрон превратился в протон, это создало бы совершенно неустойчивое ядро с тремя протонами и одним нейтроном: энергия этого нового ядра была бы гораздо выше в виде потенциальной электростатической энергии. Спонтанное превращение нейтрона, таким образом, невозможно, поскольку для него потребовался бы приток энергии извне.

Это объясняет, что нейтроны существуют во Вселенной и поныне: они прекрасно сохраняются в тепле атомных ядер.

Возвращение к стабильности атомных ядер

В итоге естественное превращение нейтрона в протон объясняет, что ядра со слишком большой пропорцией нейтронов относительно протонов являются нестабильными.

Уточним. Когда нейтрон превращается в протон, происходит два процесса:

• потеря энергии массы, вызванная превращением нейтрона в протон;

• приобретение потенциальной электростатической энергии, вызванное появлением положительного заряда внутри положительно заряженного ядра.

В ядрах, имеющих большую пропорцию нейтронов, потеря энергии массы преобладает над приобретением потенциальной энергии. На самом деле остается достаточно нейтронов, чтобы образовавшийся протон «нашел свое место» в ядре и не был оттеснен соседними протонами. Поскольку итоговая энергия ниже начальной, превращение нейтрона в протон вполне возможно (➙ рис. 28.7).

Наши недавние наблюдения стабильности ядра, которые одновременно вводят в игру сильное и слабое взаимодействие и электростатическую силу, позволят понять суть важного природного явления: радиоактивности.

Рис. 28.7 – Нестабильность углерода‐14

На схеме протоны обозначены темным, а нейтроны светлым. В углероде‐14 нейтроны позволяют обеспечить связь внутри ядра, отдаляя друг от друга протоны, которые отталкивались бы под действием электростатической силы, то есть они служат «цементом». С другой стороны, мы видим, что углерод‐14 обладает двумя «бесполезными» нейтронами (два справа).

Таким образом, один нейтрон может стать протоном, превращая атом в азот. Мы видим, что полученная система стабильна (нейтроны не дают контактировать протонам). Более того, масса азота‐14 меньше массы углерода‐14, потому что протон легче нейтрона: азот‐14, таким образом, стабильнее углерода‐14.

Заметим, что в реальности ядро существует в трех измерениях, а не в двух, как показано на схеме. Однако умозаключения остаются неизменными.