Энергетический спектр бета-частиц, роль нейтрино

При -распаде (в отличие от -распада) из ядра вылетают не одна, а две частицы. Поэтому энергетические соотношения для -распада характеризуются не только общей энергией, выделяющейся при распаде, но и распределением этой энергии между вылетающими частицами (энергия отдачи ядра очень мала и ею обычно можно пренебрегать). В силу статистического характера явления радиоактивности при одиночном акте, скажем, -распада соотношение энергий электрона и антинейтрино может быть любым, т. е. кинетическая энергия электрона Т может иметь любое значение от нуля до максимально возможной энергии (полна энергия, выделяющаяся при распаде ). Для очень большого числа распадов одинаковых ядер в результате статистического усреднения получится уже не случайное, а вполне определенное распределение вылетающих электронов по энергиям. Это распределение называется спектром электронов -распада или, короче, -спектром. На рис. 1 приведен спектр электронов для -распада нейтрона. Спектры такой формы довольно типичны. Для легких ядер , для тяжелых ядер .

Общими свойствами всех -спектров являются, во-первых, их плавность и, во-вторых, наличие максимальной энергии (верхняя граница β -спектра), на которой спектр обрывается. Оба эти свойства являются прямым следствием вылета антинейтрино (или нейтрино) при распаде.

Для решения непрерывности b -спектра были выдвинуты различные гипотезы.

· В 1922 г. Лиза Мейтнер выдвинула гипотезу, что b -электроны испуска­ются с определенной энергией, равной разности энергий ядра до и после превращений, но при прохождении через вещество радиоактивного препа­рата теряют часть своей энергии. Однако космометрические опыты по из­мерению энергии, выделяемой при одном b -распаде, отвергали эту гипо­тезу. Так средняя энергия одного распада согласно гипотезе, должна рав­няться верхней границе b -спектра, а она оказывается всегда меньше энергии соответствующего максимума кривой b -спектра.

· Различие энергий, несущих электроном, пытались объяснить как наруше­ние закона сохранения энергии (Н. Бор, Крамерс 1932–1934 гг.). Они счи­тали, что энергия сохраняется лишь, в среднем, для большого количества распадов. Однако и это оказалось неверным.

· Эту загадку разгадал В. Паули (1930 г.), который предположил, что существует новая, очень легкая, незаряженная и способная глубоко проникать в вещество частица (), названная позднее – нейтрино (Ферми, 1931 г.). Сегодня, когда открыто множество частиц, открытие новой вряд – ли удивит, но в 1930 г. идея Паули была рево­люционной. Ведь тогда были известны две частицы: электрон и протон. Предположение разрушить токую простую картину мира казалось совершен­ной бессмыслицей. Поэтому лишь немногие отнеслись к этой загадке доста­точно серьезно; одним из них был Энрико Ферми. Он воспользовался гипоте­зой Паули и построил количественную теорию b -распада (1933 г.). (“Электроны не внутри ядра, а внутри нуклона.”)

Еще одно основание для существования нейтрино: момент количества, уносимый электроном, , однако эксперименты показывают, что спин ядра либо измениться на целое число на 1(гамов – телле­ровские переходы), либо не изменяется (фермиевские переходы). Значит, для выполнения закона сохранения момента импульса, необходимо предположить, что нейтрино обладает спином .

Экспериментальное доказательство существования нейтрино было получено позже. Косвенное подтверждение: участие нейтрино в процессе К-захвата согласуется с законами сохранения энергии и импульса (Аллен, 1942 г.). Реакция обратного b¯ -распада (Рейнес и Коуэн, 1953-54 гг.) . Ядерный реактор является мощным источником антинейтрино (мощность 100 МВт дает плотность потока антинейтрино ).