публичный образовательный интернет-портал

Что такое нейтрино? Популярно о сложном.

122 27/11/2020
Тэги: #физика
Слава советской науке! Советский плакат.

Нейтрино – это элементарная частица, которую в 1934 году открыл, что называется, «на кончике пера», великий физик Э. Ферми. При этом тот же Ферми затруднялся чётко определить, что такое элементарные частицы. По его мнению, элементарность частицы – понятие относительное, зависящее от того, на каком этапе своего развития находится наука. Учёные называют элементарными те частицы, строения которых не знают. В этом случае не остаётся другого выхода, как считать их неделимыми, элементарными и фундаментальными.    

Так, до 19-го века физики и химики считали, что атом – элементарная частица вещества, потому что его нельзя было расщепить в ходе химических реакций. Для наименования мельчайших частиц вещества, всё ещё сохраняющих химические свойства, взяли даже древнегреческое слово «атом», что означает «неделимый».

В 1896 году французский учёный Анри Беккерель обнаружил явление радиоактивности. Оказалось, что атомы тяжёлых элементов, которые находятся в конце таблицы Менделеева, нестабильны и распадаются, образуя атомы других элементов и излучая при этом энергию. Так были открыты ядерные реакции, движущей силой которых оказались внутриатомные процессы, сущность которых была учёным в то время не ясна.   

Уже в 1911 году атом перестал быть элементарной частицей. Эрнест Резерфорд поставил ряд опытов, которые неопровержимо доказывали: в атомах имеется положительно заряженное ядро, состоящее из нескольких элементарных частиц, которые Резерфорд назвал протонами от греческого слова «протос» («основной»), а вокруг этого ядра «вращаются» отрицательно заряженные частицы, электроны, уже открытые к тому моменту. Число электронов равно числу протонов, так что в целом ядро остаётся нейтральным. Так появилась планетарная модель атома: ядро, как солнышко, электроны, как планеты. В советское время «мирный атом» любили изображать таким образом. Просто, понятно, вольготно...   

Чуть позже простую планетарную модель пришлось немного усовершенствовать, предположив, что кроме протонов, несущих положительный заряд, в ядро входят и частицы, равные протонам по массе, но заряда не имеющие. Эти частицы были открыты только в 1932 году. Их назвали нейтронами. 

В 1919 году тот же Резерфорд произвёл первую ядерную реакцию, в ходе которой азот, превратился в кислород и в водород. Ядерную реакцию можно было записать почти в так же, как химики записывали реакции, происходящие между веществами: слева – реагенты, справа – продукты реакции

В этой записи верхнее число при символе элемента называется массовым числом и представляет массу ядра, то есть суммарное количество протонов и нейтронов. Нижнее число – это заряд ядра, совпадающий с номером элемента в таблице Менделеева и являющийся суммарным количеством протонов в ядре. Символом α обозначаются альфа-частицы. Альфа-частицы – старое название, сохранившееся с тех пор, когда физики понятия не имели об истинной природе этих частиц. Но, исходя из того, что в ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения массы и заряда, легко определить, что альфа-частицы состоят из 2 протонов и 2 нейтронов, то есть, являются атомами гелия.

В ходе ядерной реакции, осуществлённой Резерфордом, важным результатом было также открытие протона. Как и предполагал Резерфорд, протон оказался ядром самого лёгкого элемента, водорода. Его масса была равна 1, а заряд был положительным и тоже единичным. Во истину, протон, проще некуда.

Азот и кислород – элементы устойчивые, с лёгкими ядрами. Для того, чтобы ядерная реакция произошла, в ядро азота нужно «вбить» альфа-частицу, сообщив ей значительную энергию. При этом ядро теряет стабильность, возбуждается и распадается на два осколка, каждый из которых является атомом другого элемента. Происходит трансмутация, превращение одних элементов в другие. Сбылась вековая мечта алхимиков!

Элементы с тяжёлыми ядрами, в которых содержится много протонов и нейтронов, нестабильны изначально и распадаются самопроизвольно. Например, уран обладает природной радиоактивностью. Распадаясь, он образует торий и излучает альфа-частицы. Происходящая реакция отображается следующей схемой.

Именно эту реакцию, происходящую в солях урана, зафиксировал Анри Беккерель, когда обнаружил явление радиоактивности.

Резерфорд не только открыл ядерные реакции. Он одновременно открыл физикам двери в совершенно новый мир. В эти двери ринулись множество учёных, изучая удивительную реальность, в которой одни элементы могут превращаться в другие. Мир ядерных реакций оказался таким же огромным, как мир реакций химических.

Среди ядерных реакций были такие, в которых один химический элемент превращался в другой, соседний с ним по таблице Менделеева. При такой реакции массовое число в правой и левой части записи не изменялось, а заряд ядра увеличивался на единицу. При этом происходило излучение электрона.

Во времена Беккереля об электронах ещё ничего не знали, поэтому эту составляющую природного радиоактивного излучения назвали бета-частицами. А ядерную реакцию распада с излучением электрона по традиции продолжали называть бета-распадом.

И тут исследователи обнаружили парадокс, один из тех парадоксов, разрешение которых двигает их науку вперёд и вверх. В реакциях бета-распада соблюдались все законы сохранения, кроме законов сохранения энергии! Энергия улетающих электронов была ниже, чем предполагалось. Но этого не могло быть! Физика ни в коем случае не допускает нарушения своих основных законов, одним из которых является закон сохранения энергии.

Парадокс разрешил Энрико Ферми, который в 1934 году разработал непротиворечивую теорию бета-распада, предположив, что кроме электрона из разделившегося ядра вылетает ещё одна частица, которую он назвал по-итальянски «нейтрино», то есть, «нейтрончиком».

По теории Ферми новая частица имела чрезвычайно малую массу и не имела электрического заряда. Экзотическое название этой частице пришлось дать, потому что к тому времени уже была открыта другая нейтральная частица, которую назвали «нейтрон». Не называть же ещё одну нейтральную частицу «нейтроном №2»! Лучше уж по-итальянски.  

Посёлок Нейтрино
Посёлок Нейтрино

Хотя нейтрино прекрасно «жило» в теории, оно всё же оставалась красивой абстракцией, пока его не обнаружили в 1956 году.

Трудности с обнаружением новой частицы были вполне понятны. Вероятность того, что нейтральное нейтрино, обладающее очень небольшой массой (примерно одна десятимиллиардная часть от массы протона!), вступит во взаимодействие с другими частицами чрезвычайно мала. Поэтому и зарегистрировать его было достаточно сложно. Нейтрино может пролететь сквозь многокилометровые толщи вещества высокой плотности, никак с ним не взаимодействуя. И всё же, методы обнаружения нейтрино были разработаны и его исследуют в десятках лабораторий по всему миру. Более того нейтринные детекторы различают несколько видов нейтрино

Для исследования нейтрино не надо строить могучие ускорители (хотя, для того, чтобы получить нейтрино, используют и ускорители). Однако, нейтрино в изобилии падает на нашу планету из космоса. Оно возникает в результате термоядерных реакций в глубине звёзд, поэтому все звёзды излучают нейтрино. Кроме того, нейтрино – часть реликтового излучения, эха Большого взрыва, с которого началось развитие Вселенной.

Другое дело, что для того, чтобы «изловить» нейтрино, надо защитить детекторы от прочих видов излучения. Поэтому нейтринные телескопы размещают в горных толщах. Для них используют старые штольни либо делают специальные бетонированные помещения, куда не проникнет никакое излучение, кроме нейтрино.

На территории России один из крупных нейтринных телескопов находится в туннеле под горой Андырчи в Баксанском ущелье на Кавказе. Селение, в котором живут работники, обслуживающие этот гигантский научный прибор, возникло в 1977 году и называется совсем не по-кавказски, Нейтрино.


Text.ru - 100.00%