Désintégration des positons

Double désintégration électronique

Désintégration électronique

Lors de la désintégration électronique, le noyau émet électron et électronique antineutrino. Puisque la désintégration électronique produit plus de deux particules, alors spectre énergétique il s'avère que les électrons continu. Dans ce cas, l’énergie d’un électron individuel est imprévisible. Seule l’énergie maximale d’un électron peut être déterminée. Cette énergie est égale à l’énergie de désintégration. La désintégration électronique se produit dans noyaux riches en neutrons avec une énergie de désintégration supérieure à zéro. Lors de la désintégration électronique, le noyau fille n’est pas nécessairement formé dans l’état fondamental.

Dans des cas assez rares, une désintégration avec émission simultanée de deux électrons est énergétiquement possible. Ce processus est possible à condition que la masse du noyau m(UN,Z+1), qui pourrait survenir lors de la désintégration électronique, s'avère supérieure à la masse du noyau m(UN, Z), et pour la masse centrale m(UN, Z+2) la condition est remplie m(UN, Z)> m(UN, Z+2)+2m e c 0 2 .

L'analyse montre que dans la nature, il existe des dizaines de noyaux capables de double désintégration électronique.

La désintégration des positons se produit dans noyaux déficients en neutrons. Dans toutes ses propriétés, la désintégration des positons est analogie complète avec la désintégration électronique. Cependant, si la désintégration électronique n'est possible que dans les noyaux riches en neutrons, alors la désintégration des positons n'est possible que dans les noyaux présentant un excès de protons. Les spectres des électrons et des positrons sont similaires, mais il existe une attraction coulombienne entre l'électron et le noyau, et une répulsion coulombienne entre le positron et le noyau. C'est pourquoi le spectre des positrons s'avère décalé vers des énergies plus élevées.

À des énergies d'excitation suffisamment élevées, le noyau peut émettre des neutrons. Lorsque des neutrons sont émis Δ N=1, Δ UN=1. La désintégration énergétique des neutrons est possible si énergie d'excitation nucléaire volonté plus d'énergie de liaison des neutrons dans le noyau. Il a été démontré expérimentalement que la désintégration des neutrons se produit dans le noyau Li à partir de niveaux d'énergie de 3,21 MeV (513,6 fJ), 6,53 MeV (1044,8 fJ). En général, nous pouvons supposer que dans la région des masses moyennes, des énergies d'excitation d'environ 9 MeV (1 440 fJ) sont nécessaires à la désintégration des neutrons.

Spectre énergétique des neutrons émis s'avère être continu. Il est évident que le processus de désintégration des neutrons est soumis à noyau avec un excès de neutrons. Dans le même temps, les données sur les masses du noyau ne semblent pas indiquer qu’en cas d’excès de neutrons, l’énergie de liaison des neutrons reste positive. La conséquence en est l’impossibilité de désintégration des neutrons à partir de l’état fondamental du noyau.

Parfois, après la désintégration bêta, le noyau résultant, qui reste excité, se désintègre davantage avec l'émission d'un neutron. L'énergie d'excitation est emportée par les neutrons émis. De tels neutrons sont appelés en retard. Le retard dans le processus de désintégration ultérieure des neutrons est associé à la lenteur de la désintégration bêta précédente. La désintégration des neutrons se produit avec une demi-vie très courte.

Canaux de désintégration rares

Ce canal de désintégration est réalisé avec une probabilité de 0,32 ± 0,16 %. Ce résultat attend toujours d’être confirmé par d’autres groupes de chercheurs. Le spectre des quanta gamma devrait se situer dans la plage de 0 à 782 keV et dépendre de l'énergie (en première approximation) comme E −1 . D'un point de vue physique, ce processus est un bremsstrahlung de l'électron résultant.

Il doit également y avoir un canal pour la désintégration d'un neutron libre vers un état lié - un atome d'hydrogène.

Cependant, d'après les expériences, nous savons seulement que la probabilité d'une telle désintégration est inférieure à 3 % (la durée de vie partielle à travers ce canal dépasse 3·10 4 s). La probabilité théoriquement attendue de désintégration dans un état lié par rapport à la probabilité totale de désintégration est égale à 3,92·10 −6. Pour satisfaire à la loi de conservation du moment cinétique, un électron lié doit apparaître dans S-condition(avec un moment orbital nul), y compris avec une probabilité de ≈84 % - dans l'état fondamental, et de 16 % - dans l'un des états excités S-États atome d'hydrogène.

voir également

Remarques

Littérature

• B.G. Erozolimsky (1975). "Désintégration bêta des neutrons". Avancées en sciences physiques 116 (1): 145–164.

Fondation Wikimédia. 2010.

Voyez ce qu’est la « désintégration bêta des neutrons » dans d’autres dictionnaires :

Diagramme de Feynman pour la désintégration bêta d'un neutron en un proton, un électron et un antineutrino électronique avec la participation d'un boson W lourd virtuel La désintégration bêta d'un neutron est la transformation spontanée d'un neutron libre en un proton avec l'émission d'une particule β (électron) et ... ... Wikipédia

Ce terme a d'autres significations, voir Beta. Physique nucléaire... Wikipédia

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Transformations spontanées d'un neutron en proton et d'un proton en neutron à l'intérieur d'un noyau atomique, ainsi que transformation d'un neutron libre en proton, accompagnées de l'émission d'un électron ou d'un positron et d'un neutrino ou d'un antineutrino. double désintégration bêta... ... Termes de l'énergie nucléaire

Désintégration bêta, transformations radioactives des noyaux atomiques ; au cours du processus, les noyaux émettent des électrons et des antineutrinos (désintégration bêta) ou des positrons et des neutrinos (désintégration bêta +). Départ pendant B. r. les électrons et les positons sont collectivement appelés. particules bêta. À… … Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique

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Désintégration bêta- (désintégration β) transformations radioactives des noyaux atomiques, au cours desquelles les noyaux émettent des électrons et des antineutrinos (désintégration β) ou des positrons et des neutrinos (désintégration β+). Départ pendant B. r. les électrons et les positons sont collectivement appelés particules bêta (particules β)... Encyclopédie russe de la protection du travail

- Désintégration β, désintégration radioactive d'un noyau atomique, accompagnée de l'émission d'un électron ou d'un positron du noyau. Ce processus est provoqué par la transformation spontanée d'un des nucléons du noyau en un nucléon d'un type différent, à savoir : la transformation de l'un ou l'autre... ... Grande Encyclopédie Soviétique

- ((bêta dis()a()d)) a; m.Phys. Transformation radioactive d'un noyau atomique, dans laquelle sont émis un électron et un antineutrino, ou un positron et un neutrino. * * * Désintégration bêta (désintégration β), transformation spontanée des noyaux, accompagnée d'une émission (ou ... ... Dictionnaire encyclopédique

- (En désintégration), transformation spontanée des noyaux atomiques, accompagnée de l'émission (ou absorption) d'un électron et d'un antineutrino ou d'un positron et d'un neutrino. Il existe des types connus de BR : désintégration électronique (conversion d'un neutron en proton), désintégration de positrons... ... Sciences naturelles. Dictionnaire encyclopédique

Livres

• Sur les problèmes du rayonnement et de la matière en physique. Analyse critique des théories existantes : le caractère métaphysique de la mécanique quantique et le caractère illusoire de la théorie quantique des champs. Une alternative est le modèle des particules scintillantes de Yu.I. Petrov. Le livre est consacré à l'analyse des problèmes d'unité et d'opposition des concepts d'« onde » et de « particule ». A la recherche d'une solution à ces problèmes, les fondements mathématiques du fondamental...

• Traduction

Un fait qui laisse perplexe beaucoup de ceux qui étudient la nature de la matière ordinaire pour la première fois est que le noyau de tout atome plus lourd que l'hydrogène contient à la fois des protons et des neutrons, mais que les neutrons se désintègrent (se désintègrent en d'autres particules) en moyenne 15 fois. minutes! Comment les noyaux de carbone, d'oxygène, d'azote, de silicium peuvent-ils être aussi stables si les neutrons qui les composent ne peuvent survivre par eux-mêmes ?

La réponse à cette question s’avère très simple une fois que l’on comprend le fonctionnement de l’énergie : il s’agit de pure comptabilité. Mais comprendre l’énergie n’est pas du tout facile. Vous devez d’abord lire. Avant cela, vous devez vous familiariser avec. Ces concepts doivent être introduits avant de comprendre la réponse à une question donnée.

Si vous lisez l'article sur l'énergie d'interaction, vous savez qu'un atome d'hydrogène est constitué d'un proton et d'un électron qui, en raison de l'énergie de liaison négative, ne peuvent pas s'échapper l'un de l'autre - ils sont enfermés à l'intérieur de l'atome. L'énergie de liaison négative provient de l'énergie d'interaction négative, partiellement équilibrée par l'énergie positive du mouvement des électrons (et un peu de protons). L'énergie d'interaction provient de l'effet de l'électron sur le champ électrique à proximité du proton (et vice versa).

Dans cet article, j'expliquerai pourquoi le neutron est stable dans le noyau atomique le plus simple suivant : le deuton, le noyau de « l'hydrogène lourd » ou du « deutérium ». Un deuton est constitué d'un neutron et d'un proton - simple en principe et pas trop différent d'un atome d'hydrogène avec un électron et un proton. Une fois que vous aurez compris pourquoi le neutron est stable au sein du deuton, vous comprendrez le principe de base selon lequel les neutrons peuvent être stables au sein de tous les noyaux stables. L'essentiel est le suivant : l'énergie d'interaction des protons et des neutrons est négative et assez importante, donc dans certains noyaux, la désintégration d'un neutron entraînerait une augmentation de l'énergie du système (constitué des restes du noyau après sa désintégration et toutes les particules émises pendant la désintégration), ce qui violerait la loi de conservation de l'énergie. Puisque l’énergie doit être conservée, la dégradation est impossible.

Je ne décrirai pas l’interaction d’un neutron avec un proton, car celle-ci est responsable d’une interaction forte, bien plus complexe que les interactions électriques (et magnétiques) entre le proton et l’électron qui composent l’atome d’hydrogène. Une partie de cette complexité est due à la nature complexe de l’interaction, un peu comme la façon dont une force électromagnétique peut lier deux atomes d’hydrogène en une molécule d’hydrogène, même si les deux atomes sont électriquement neutres. Mais cette analogie ne couvre pas certains détails importants. La physique nucléaire est un sujet distinct.

Riz. 1

Heureusement, nous n’avons pas besoin de ces complications. Nous devons savoir que ces forces créent une énergie d’interaction négative pour un système de protons, de neutrons et de divers champs complexes, leur permettant de s’influencer mutuellement. Le résultat est un deuton stable. Tout comme un atome d’hydrogène ne peut pas se désintégrer soudainement en un électron et un proton, un deuton ne peut pas se désintégrer soudainement en un neutron et un proton.

Cela ne signifie pas que le deuton ou l’atome d’hydrogène ne peuvent pas être détruits. Vous pouvez « ioniser » un atome d'hydrogène (éliminer un électron d'un proton) si vous ajoutez de l'énergie externe - sous la forme, par exemple, d'un photon assez énergétique. La même méthode peut être utilisée pour briser le deutérium et éliminer un neutron d’un proton. Mais pour cela, l'énergie doit être obtenue en dehors du système ; ni l'hydrogène ni le deuton ne se désintégreront d'eux-mêmes.

Les neutrons peuvent se désintégrer

Rappelons la condition nécessaire (mais pas suffisante) pour la désintégration d'un objet : la masse de l'objet initial doit dépasser la somme des masses des objets dans lesquels il se désintègre. D'où vient cette condition ? De la loi de conservation de l'énergie. Nous verrons bientôt comment et pourquoi (comme d'habitude, par masse j'entends « masse de repos »).

Riz. 2

Vérifions que cette condition est satisfaite pour un neutron, qui peut se désintégrer en proton, en électron et en antineutrino électronique. La désintégration est illustrée à la figure 2 ; le neutron se transforme spontanément en ces trois particules. Le neutron et le proton sont en réalité plus grands que l’électron et l’antineutrino – bien que le dessin ne soit toujours pas à l’échelle. Le diamètre d’un neutron ou d’un proton est d’environ un milliardième de billionième de mètre (100 000 fois plus petit qu’un atome), et on sait que le diamètre d’un électron ou d’un neutrino est au moins 1 000 fois plus petit que cela.

En figue. La figure 3 montre la comptabilité énergétique (voir Fig. 1). Avant la désintégration du neutron, l'énergie de l'ensemble du système est égale à l'énergie de masse (E = mc 2) du neutron. La masse du neutron est de 0,939565... GeV/c 2.

Les points de suspension indiquent qu’il ne s’agit pas d’une valeur exacte, mais nous n’avons pas encore besoin de beaucoup de précision. Cela signifie que l’énergie de la masse des neutrons est

0,939565…GeV/c2

Après la désintégration du neutron, quelle sera l’énergie de l’ensemble du système ? Puisque l'énergie est conservée et qu'aucune énergie n'est fournie de l'extérieur, l'énergie du système sera égale à la même chose - 0,939565... GeV !

Mais comment sera-t-il distribué ?

Premièrement, nous n’aurons pas d’énergie d’interaction. Ce n’est pas évident, mais c’est très important. Lorsqu’un proton, un électron et un antineutrino se séparent, l’énergie de leur interaction devient négligeable.

Deuxièmement, chaque particule possède une énergie de masse. Combien y a-t-il ?
L'énergie de masse du proton est de 0,938272... GeV.
L'énergie de la masse électronique est de 0,000511... GeV.
L’énergie de la masse de l’antineutrino peut être négligée, tant elle est petite.

Et cela tombe bien, puisqu’on ne connaît toujours pas la masse des neutrinos. Nous savons qu’elle est au moins bien inférieure à 0,000001 GeV.

La masse-énergie finale est égale à

(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) GeV = 0,938783… GeV

Ce qui est inférieur à l'énergie de la masse des neutrons avec laquelle nous avons commencé de 0,000782... GeV. Jusqu'à présent, nous ne voyons pas comment cela persiste. L'énergie de masse du neutron n'est pas complètement convertie en énergie de masse du proton, de l'électron et du neutrino. L’excès d’énergie sur la Fig. 3 sont représentés en jaune.

Riz. 3

La différence peut être compensée en utilisant l’énergie du mouvement. Elle est toujours positive. Il suffit de répartir les 0,000782... GeV supplémentaires entre les mouvements des particules afin que l'impulsion du système soit conservée (croyez-moi, c'est possible). Ensuite, l'énergie sera conservée, puisque l'énergie de la masse du neutron s'est transformée en énergie de masse et en énergie de mouvement du proton, de l'électron et du neutrino.

Je n'ai pas indiqué la quantité exacte d'énergie de mouvement transférée au proton, à l'électron et au neutrino, car dans chaque cas de désintégration des neutrons, l'énergie sera distribuée différemment, simplement de manière aléatoire (c'est la mécanique quantique). Seule l'énergie totale du mouvement sera toujours la même, 0,000782... GeV.

Deutéron est stable

Revenons au deuton. L'énergie totale du deuton, comme celle de l'atome d'hydrogène, est constituée de l'énergie positive de la masse de ses deux composants (proton et neutron), de l'énergie positive de mouvement des deux composants et de l'énergie négative d'interaction, qui plus que couvre l’énergie du mouvement. De plus, comme pour toute particule ou système, la masse d'un deuton sera égale à son énergie totale (plus précisément, l'énergie totale que vous mesurez lorsqu'il ne bouge pas par rapport à vous) divisée par c2, le carré de la vitesse de la lumière. . En conséquence, si le deuton est au repos par rapport à vous, sur la base de sa masse mesurée égale à 1,875612... GeV/c 2, on peut dire que son énergie est égale à

Énergie de masse du deuton = 1,875612… GeV =
Énergie de masse des protons + énergie de masse des neutrons,
Énergie de mouvement des protons + énergie de mouvement des neutrons,
Énergie d'interaction (négative et d'ampleur supérieure à l'énergie du mouvement).

< энергия массы протона + энергия массы нейтрона

0,938272… GeV+ 0,939565… GeV = 1,877837… GeV

L’énergie de liaison du deuton est donc

1,875612… GeV – 1,877837… GeV = -0,002225… GeV

Riz. 4

Une énergie de liaison négative signifie, comme pour l'atome d'hydrogène, que le deuton ne peut pas simplement se diviser en un neutron et un proton, comme le montre la figure 1. 4. Cela violerait la conservation de l’énergie, qui stipule que la particule en décomposition doit être plus massive que les particules dans lesquelles elle se désintègre. Comme le montre la fig. 5, il n’y a aucun moyen d’économiser de l’énergie. Le neutron et le proton ont plus d'énergie de masse que le deuton, et il n'existe aucune source d'énergie négative qui puisse compenser le déficit énergétique, puisqu'il n'y a pas d'énergie d'interaction entre des protons et des neutrons largement séparés, et que l'énergie de mouvement n'est pas négative. Cela signifie que le processus de la Fig. 4 ne peut pas arriver.

Riz. 5

Un neutron à l'intérieur d'un deuton ne peut pas se désintégrer

Il reste une étape, et elle est assez simple par rapport aux précédentes. La question est : pourquoi un neutron ne peut-il pas se désintégrer à l’intérieur d’un deuton ?

Disons qu'il s'effondre : que reste-t-il ? Nous aurons alors deux protons, un électron et un antineutrino ; voir fig. 6. Deux protons se repoussent : ils ont une charge électrique positive et la force électrique les sépare. La forte force nucléaire qui tente de les rassembler n’est pas aussi forte que celle entre un neutron et un proton, et l’effet combiné des deux forces sera répulsif. En conséquence, cette interaction séparera les protons. Pendant ce temps, l’électron et l’antineutrino quitteront également la scène de l’action.

Riz. 6

Lorsque les quatre particules sont éloignées les unes des autres (comme le montre grossièrement la figure 6, mais imaginez qu'elles soient encore plus éloignées), il n'y aura pas d'énergie d'interaction significative entre elles. L'énergie du système sera constituée uniquement de la somme des énergies des masses de particules et des énergies de mouvement. Puisque l’énergie du mouvement est toujours positive, l’énergie minimale que peuvent avoir les particules sera égale à la somme de leurs énergies de masse. Mais cette énergie est supérieure à l’énergie de la masse du deuton (Fig. 7) ! Même l'énergie de masse de deux protons, 1,876544... GeV, est déjà supérieure à l'énergie de masse d'un deuton. Et les 0,000511 GeV supplémentaires ne font que frotter le sel dans la plaie.

Par conséquent, un neutron à l’intérieur d’un deuton ne peut pas se désintégrer ; l'énergie d'interaction qui retient le deuton fait baisser sa masse - suffisamment basse pour que la désintégration du neutron à l'intérieur du deuton brise la conservation de l'énergie !

Riz. 7

Autres noyaux atomiques

Et cela se produit avec tous les noyaux stables dans la nature. Mais ne pensez pas que lorsque vous combinez des neutrons et des protons, vous obtenez un noyau stable ! Les noyaux stables sont extrêmement rares.

Si vous prenez des protons Z et des neutrons N et essayez d'en faire un noyau, alors pour la plupart des options Z et N, vous échouerez. La plupart de ces noyaux se désintégreront instantanément et ne se formeront pas du tout. En gros, la force d'attraction entre les protons Z et les neutrons N est la plus forte lorsque Z est approximativement égal à N. D'autre part, les protons se repoussent en raison de l'interaction électromagnétique. Cette force augmente à mesure que Z augmente. La compétition de ces deux effets suggère que le noyau a plus de chances d'être stable lorsque Z est légèrement inférieur à N ; et plus Z et N sont grands, plus la différence entre Z et N doit être grande. Cela peut être vu sur la Fig. 8. Seuls les noyaux marqués en noir sont stables ; ils sont situés dans ce que l’on appelle poétiquement la « vallée de la stabilité ».

Et quels sont les noyaux indiqués par la couleur ? Il s'avère qu'il existe de nombreux noyaux qui se désintègrent encore, mais qui peuvent vivre assez longtemps. Nous appelons souvent ces objets « instables » et ceux qui vivent assez longtemps « métastables ». L'utilisation des mots dépend du contexte. Un neutron vit 15 minutes. Il existe des noyaux qui vivent plusieurs millisecondes, jours, décennies, millénaires et même milliards d'années. Nous appelons ces noyaux radioactifs ; ce sont les conséquences dangereuses d'incidents impliquant des radiations ou des armes, des outils utilisés dans les détecteurs de fumée et pour lutter, entre autres, contre le cancer.

Il existe de nombreuses façons dont ces noyaux peuvent se désintégrer, mais certaines d'entre elles se désintègrent en transformant un neutron en proton à l'intérieur du noyau. Nous le savons par l'augmentation de la charge du noyau et par le fait qu'un électron en sort avec un antineutrino. D’autres peuvent même se désintégrer, transformant un proton en neutron ! Nous le savons car la charge du noyau diminue et un positron (antiélectron) en est libéré. Calculer la durée de vie d'un noyau donné et la façon dont il se désintégrera est une question de physique nucléaire très complexe - je ne donnerai pas de cours là-dessus ici (et je ne suis pas un expert).

Riz. 8

Il suffit de dire que l'énergie négative de l'interaction des particules, combinée à la conservation de l'énergie, peut changer tout le jeu, rendant impossibles certains processus qui sont possibles dans des conditions normales - et vice versa.

Demi-vie d'un neutron libre. B-r. a été découvert expérimentalement pour la première fois. n. et ont obtenu des estimations de sa demi-vie presque simultanément (1948-50) et indépendamment les unes des autres par A. H. Snell (Oak Ridsch, États-Unis), J. Robson (Choke River, Canada) et P E. Spivak (IAE). Au total, plus de 15 mesures ont été effectuées T1/2 neutron. Naïb. des données exactes ont été obtenues dans les travaux de C. Christensen et ses collaborateurs (1970) (=10,61b0,16 min), les groupes de Spivak (1978, T 1/2 =10,18b0,10 min) et G. Byrne (1980, G 1/2 =10,82b0,21min).

Pour déterminer T 1/2 neutrons ont été produits par 2 abs indépendants. mesures : le nombre d'événements de désintégration de neutrons dans une région donnée d'un faisceau collimaté de neutrons thermiques a été déterminé et le nombre de neutrons localisés dans cette région a été mesuré. Dans ce cas, des électrons (Christensen) ou des protons de désintégration (Spivak, Byrne) ont été enregistrés, dont la plage d'énergie était comprise entre 0 et 800 eV. Dans l'œuvre de Spivak, ils étaient spécialement enregistrés. fond faible compteur proportionnel, les protons sont entrés dans la fenêtre d'entrée après avoir traversé le limiteur. diaphragme et accéléré à une énergie de 25 keV en sphérique. champ de focalisation (Fig. 1). Le nombre de neutrons dans la région de désintégration a été déterminé par abs. activité de l'Au irradié au même endroit du faisceau de neutrons.

Énergie le spectre électronique a été mesuré par Robson et Christensen (1972). À l'exception de

Riz. 1. Schéma de l'expérience pour mesurer la demi-vie d'un neutron libre 1 - chambre à vide ; 2 - faisceau de neutrons ; 3, 5 - des diaphragmes restrictifs, 4 - écran (blindage des champs extérieurs) ; 6 - grille de freinage ; 7 - électrodes de focalisation ; 8 - détecteur de protons (compteur proportionnel).

Quelques écarts dans la région de l'énergie douce (environ 250 keV, apparemment dus à des erreurs de mesure) en général, le spectre s'accorde bien avec la formule de Fermi pour les transitions autorisées (voir. Désintégration bêta noyaux) :

Voici l'énergie électronique et l'énergie limite du spectre (Fig. 2). L'expérience donne 782b13 keV, ce qui est en accord avec la théorie. valeur, qui découle des données sur les masses du neutron, l'atome d'hydrogène : = 782,318b0,017 keV.

Riz. 2. Spectre bêta de la désintégration d'un neutron libre ; ligne continue - courbe théorique ; les cercles correspondent à des valeurs expérimentales prenant en compte la résolution énergétique.

Corrélations angulaires des produits de désintégration. Les impulsions de 3 particules formées pendant B-r. n., sont liés les uns aux autres par la loi de conservation, et donc, compte tenu du spin du neutron en désintégration, seules 4 corrélations angulaires indépendantes sont théoriquement possibles. La probabilité de désintégration d’un neutron libre par unité de temps peut s’écrire :

Voici la forme du spectre, la vitesse de l'électron, les vecteurs unitaires des directions d'émission des électrons et des antineutrinos, UN- constante de couplage entre les directions d'émission de l'antineutrino et de l'électron ; UN caractérise la relation entre la direction d'émission des électrons et la direction de spin du neutron en désintégration ; DANS caractérise la relation entre la direction d'émission de l'antineutrino et le spin du neutron ; D caractérise la corrélation entre la direction du spin s et la normale au plan d'expansion des particules.

Corrélations sont spatialement impairs, c'est-à-dire qu'ils changent de signe lorsque le système de coordonnées est mis en miroir. La triple corrélation est spatialement paire, mais étrange en ce qui concerne l'inversion temporelle ( T impair).

Désintégration des neutrons et constantes d'interaction faibles. Selon la théorie idées, base contribution à B-r.n. devrait donner le vecteur (F) et le vecteur axial ( UN)interactions ( V -UN-variante) avec un antineutrino longitudinal sans masse ou (éventuellement) avec un antineutrino presque longitudinal, qui a une très petite masse (par rapport à un électron). Cependant, une superposition de 3 variantes supplémentaires (5 au total) d'interaction faible est théoriquement envisageable 4 fermions- scalaire ( S), pseudoscalaire ( P.) et le tenseur ( T). Clarifier la question de savoir quelles options sont réellement mises en œuvre est le Ch. la tâche d'étudier la désintégration bêta des noyaux et des neutrons. Naïb. un moyen fiable de résoudre ce problème consiste à obtenir des valeurs précises des constantes une, une, B, D. Dans le cas de B-r. n. l'interprétation des données expérimentales est exempte d'incertitudes générées par des détails inconnus de la structure nucléaire.

Etudes de précision de la corrélation antineutrino-électron réalisées en Autriche. recherché centre de Seibersdorf (1975-78), a donné la valeur a = -0,1017 b 0,0051. Dans le même temps, le spectre des protons de désintégration qui ont traversé le canal évacué du cœur du réacteur a été mesuré. Constantes de mesure UN Et DANS n'est devenu possible qu'après l'obtention de faisceaux puissants neutrons polarisés(jusqu'à 10 9 neutre/s). Naïb. schéma de mesure simple et constante UN. À partir d'une région donnée d'un faisceau de polariseurs. les neutrons, les électrons volant dans un certain angle solide sont enregistrés dans 2 directions des neutrons - parallèle et antiparallèle à l'axe d'enregistrement des électrons, en comparant les taux de comptage dans ces conditions, ce qu'on appelle. valeur d'asymétrie :

où est la moyenne sur la partie enregistrée du spectre, est l'angle entre la direction de polarisation des neutrons

Riz. 3. Schéma expérimental de mesure de la corrélation électron-spin : 1 - détecteur d'électrons (plastique à scintillation et PMT) ; 2 - filet; 3 - chambre à vide ; 4 - un faisceau de neutrons polarisés ; 5 - électrode sphérique (+ 25 kV) ; 6 -petite maille sphérique ; 7 - détecteur de protons (CsI et photomultiplicateur) : 8 - écran; 9 - maille conique (+28 kV) ; 10 - un diaphragme qui sélectionne la zone de travail du faisceau de neutrons.

nouveau et l'impulsion de l'électron détecté, À-coefficient polarisation du faisceau de neutrons.

En réalité, le tableau est compliqué par la présence d'un fond d'électrons non associé à la désintégration du neutron. Cela force l'allumage du détecteur d'électrons pour qu'il coïncide avec le détecteur de protons à désintégration. Dans ce cas, cependant, la corrélation angulaire du spin de l'antineutrino, qui est 10 fois plus forte que celle mesurée, peut apporter une contribution notable à l'asymétrie. Dans les travaux de l'Institut de l'énergie atomique, l'installation a été conçue de manière à assurer la collecte de tous les protons formés lors de B-r. n., qui excluait l'influence de la corrélation antineutrino-spin (Fig. 3). Le résultat de ce travail : UN=-0,114b0,005. Des études similaires réalisées au Laboratoire d'Argonne (USA) ont donné : UN=- 0,113b0,006.

Pour une constante DANS valeurs obtenues : DANS= 1,01b0,05 (États-Unis) et B=+0,955b0,035 (URSS). La corrélation fait l'objet de la recherche de violations T-parité dans les interactions faibles. Au total, 6 mesures de la constante ont été effectuées D. Naïb. distances exactes : D=+0,0022b0,0030 (URSS) et D=-0,0011b0,0017 (Grenoble, France). Ces résultats indiquent l'absence de l'effet souhaité dans la limite de l'erreur de mesure.

Obtenu en étudiant la désintégration des polariseurs. valeurs constantes des neutrons UN Et DANS nous a permis de faire un choix clair en faveur de VIRGINIE-version de la théorie. Un bon test est le rapport 1+ A=B+a, qui doit être satisfait par les données dans le cas d'un pur VIRGINIE-option. Cependant, les données disponibles n'excluent pas encore (dans la limite des erreurs de mesure) la présence de termes de type scalaire ou tensoriel dans l'hamiltonien, mais imposent seulement des restrictions sur les constantes. g interactions faibles correspondantes à 4 fermions : G S /G V<0,3 и G T /G A<0,15.

Nature de l'expérience	Groupe expérimental
1. Mesure T1/2	K. Christensen et al. (RISO, Danemark)
	P. E. Spivak et autres (IAE, URSS)		1.276b0.008
	G. Byrne et autres (France)
4. Mesures constantes UN	P. Dobrozemsky et autres (Seibersdorf, Autriche)

Dans le monde atomique, à notre connaissance, il existe trois lois de conservation importantes qui s’appliquent à la fois dans la vie quotidienne et dans le vaste Univers qui nous entoure.

Celles-ci incluent les lois de conservation de la quantité de mouvement, de conservation du moment cinétique et de conservation de l'énergie.

Les trois lois établissent la relation entre la masse et la vitesse, des quantités qui nous sont bien connues. Mais il s’avère que l’atome et les particules qui le composent sont également soumis à la quatrième loi de conservation, qui concerne un phénomène qui nous est totalement inconnu. Déjà en 600 avant JC, grâce aux recherches du philosophe grec Thalès de Milet, on savait que la résine fossile râpée - l'ambre - avait la propriété d'attirer les objets lumineux. Il est désormais d'usage de dire que l'ambre frotté reçoit charge électrique ou « électrifié ». Le mot « électricité » vient du grec électron – ambre.

En 1773, le physicien français Charles François Dufay démontra l'existence de deux types différents de charges électriques, l'une trouvée sur l'ambre frotté et l'autre sur le verre frotté. La différence entre ces deux charges électriques peut être constatée dans l’expérience suivante.

Accrochons côte à côte deux petits morceaux de liège à des fils de soie. Touchons chacun d'eux avec un morceau d'ambre chargé électriquement, et une partie de la charge électrique s'écoulera dans chaque morceau de liège. Les fils de soie auxquels ils sont suspendus ne pendent plus verticalement, mais se plient en biais. Désormais, les fiches sont plus espacées les unes des autres qu’elles ne l’étaient avant de recevoir la charge. La même chose se produira si les deux morceaux de liège sont touchés par des morceaux de verre chargés électriquement.

Toutefois, si un morceau de liège est touché avec de l'ambre chargé et l'autre avec du verre, les deux morceaux seront attirés l'un vers l'autre. C'est cette différence qui a amené Du Fay à proposer l'existence de deux types de charges électriques. Une généralisation s’est dégagée : comme les charges électriques se repoussent, contrairement aux charges électriques qui s'attirent.

Dans les années quarante du XVIIIe siècle, l'Américain Benjamin Franklin, un homme large d'esprit, commença des expériences avec l'électricité. Il a remarqué que si un corps portant un type de charge est touché par un corps portant une charge égale d'un autre signe, les charges se neutralisent et les deux corps deviennent électriquement déchargés. C'était comme si le fluide électrique s'était écoulé d'un endroit où il était en abondance vers un endroit où il était rare. En conséquence, un certain niveau moyen a été établi dans les deux endroits.

Franklin croyait qu'un corps contenant un excès de fluide électrique transporte charge électrique positive et le corps, faute de cela, porte charge électrique négative. Il ne pouvait pas dire quel corps contenait un excès et lequel un défaut, aussi il prit arbitrairement le verre non frotté comme positif et l'ambre frotté comme négatif. Ces désignations ont été suivies depuis.

Les générations suivantes de physiciens qui ont étudié le comportement des corps chargés électriquement sont arrivées à la conclusion suivante : la charge électrique totale d'un système fermé est constante.

En effet, lorsqu’on frotte l’ambre, une charge électrique ne surgit pas de rien. Si l’ambre est frotté à la main, la charge électrique négative reçue par l’ambre est compensée exactement par la même charge positive reçue par la main. La somme de ces deux charges est nulle. Lorsque la charge électrique de la main pénètre dans le sol et se propage sur toute la surface terrestre, il semble qu'elle disparaisse. L'illusion d'une charge « apparaissant » sur l'ambre est créée. Nous avons déjà considéré des cas similaires avec des impulsions positives et négatives ou avec un moment cinétique dans le sens horaire et antihoraire. On peut donc formuler la quatrième loi de conservation : conservation de la charge électrique.

Réactions nucléaires et charge électrique

Lorsque les physiciens ont commencé à comprendre plus clairement la structure de l’atome dans les années 1990, ils ont découvert qu’au moins certaines parties de celui-ci portaient une charge électrique. Par exemple, les électrons qui remplissent les régions externes d’un atome sont chargés négativement, tandis que le noyau situé au centre de l’atome porte une charge électrique positive. Bien entendu, la question s’est immédiatement posée de l’ampleur de ces charges ; avant d’y répondre, considérons quelques unités de charge.

L'unité de charge électrique généralement acceptée est pendentif(du nom du physicien français Charles Augustin Coulomb, qui détermina en 1785 l'ampleur de la charge électrique en mesurant la force d'attraction et de répulsion d'autres charges). Dans une ampoule de 60 watts, une charge électrique d’un coulomb traverse n’importe quel point du filament toutes les deux secondes. Beaucoup moins électrostatique unité de charge. Un coulomb est égal à 3·10 9 unités électrostatiques.

Mais même l’unité électrostatique est extrêmement grande pour mesurer la charge d’un seul électron. La charge d'un électron a été mesurée pour la première fois avec une précision suffisante en 1911 par le physicien américain Robert Andrews Millikan. Il s’est avéré qu’il équivalait à environ un demi-milliardième d’unité électrostatique. Selon des mesures récentes, la charge d'un électron est de 4,80298·10 -10 unités électrostatiques. Afin de ne pas utiliser une fraction aussi gênante, nous avons pris la charge électrique de l’électron égale à -1, où le signe moins signifie une charge négative. Tout électron, qu'il soit impliqué dans un courant électrique ou qu'il appartienne à un atome de n'importe quel élément, a une charge exactement égale à -1, quelle que soit la précision de nos instruments les plus sensibles.

Le noyau atomique le plus simple, c'est-à-dire le noyau d'un atome d'hydrogène, a une charge électrique de +1. D'après les instruments les plus sensibles, la charge positive du noyau d'hydrogène est exactement égale à la charge négative de l'électron (bien que, bien sûr, de signe opposé). Les noyaux atomiques plus lourds ont des charges positives plus grandes, qui sont nécessairement exprimées sous forme de nombre entier. Jusqu’à présent, au moins, aucune charge fractionnaire, positive ou négative, n’a été découverte.

Les atomes de chaque élément ont une charge nucléaire caractéristique différente de la charge des atomes des autres éléments. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène ont une charge nucléaire de +1, tous les atomes d'hélium +2, tous les atomes de carbone +6, tous les atomes d'uranium +92. Cette charge nucléaire s'appelle numéro atomique.

Les isotopes diffèrent les uns des autres par leur nombre de masse, mais ils sont néanmoins identiques par leur numéro atomique et sont des atomes du même élément. Il existe à la fois des atomes avec une charge nucléaire de +1 et un nombre de masse de 1, et des atomes avec une charge nucléaire de +1 et un nombre de masse de 2. Les deux types sont des atomes d'hydrogène. Ils sont appelés hydrogène-1 ou hydrogène-2, ou 1 H 1 et 1 H 2, où l'indice en haut à droite est le nombre de masse, l'indice en bas à gauche est le numéro atomique. De la même manière, deux isotopes de l'uranium s'écrivent 92 U 238 et 92 U 235.

Les deux isotopes de l'uranium sont radioactifs. Chacun se désintègre, émettant une particule et devenant un atome de thorium. Le numéro atomique du thorium est 90, et la particule a?, qui est le noyau de l'atome d'hélium, a le numéro atomique 2. On peut alors écrire :

U +92 > Th +90 + He +2.

Le noyau atomique initial avait une charge de +92, et les deux noyaux finaux avaient une charge de +90 et +2, soit un total de +92. Il s'agit d'un cas particulier de la règle générale. Atome avec numéro d'atome X, Après avoir émis une particule ?, elle se transforme toujours en un autre atome avec un numéro atomique X-2. Aucune exception n’a jamais été observée. Par conséquent, dans le cas du rayonnement d’une particule α, la loi de conservation de la charge électrique est satisfaite.

La loi de conservation de la charge électrique est-elle applicable à l'émission de particules par un noyau atomique ? Cette particule est un électron, noté e-1, puisque l'électron a une charge de -1.

Considérons ensuite le comportement des isotopes du thorium formés lors de la désintégration de l'uranium. Ils ne sont pas très courants dans la nature car ils se décomposent rapidement. Dans ce cas, une particule ? est émise et un isotope de l'élément protactinium est formé, qui porte le numéro atomique 91 et est désigné par le symbole Ra. En nous concentrant sur la charge électrique, nous pouvons écrire

Th +90 > Pa +91 + e-1 .

Là encore, nous observons la conservation des charges électriques.

Atome avec numéro atomique X, Après avoir émis une particule ?, elle se transforme toujours en un autre atome avec un numéro atomique x+1. Aucune exception à cette règle n’a été observée non plus. Cela signifie que la loi de conservation de la charge électrique est également valable pour le rayonnement d'une particule.

Un atome émettant des rayons ? ne change pas son numéro atomique au cours du processus d'émission, puisque le photon des rayons ? ne porte pas de charge.

En bref, il s’est avéré que la loi de conservation de la charge électrique est respectée dans toute réaction nucléaire.

Structure de base

Bien que la question du rayonnement d'une particule semble enfin éclaircie, la loi de conservation de la charge électrique étant remplie, les physiciens poursuivent leurs recherches. La manière dont un noyau chargé positivement pouvait émettre une particule chargée négativement restait un mystère pour eux.

Le simple fait que le noyau atomique émet lui-même des particules ? et ? indique que le noyau est constitué de parties encore plus petites et qu'au moins l'une d'entre elles doit porter une charge électrique positive.

Pendant près de dix ans après la découverte de l’électron, les physiciens étaient à la recherche d’une particule chargée positivement semblable à un électron chargé négativement. Mais la recherche n’a pas abouti. La plus petite particule chargée positivement découverte s'est avérée être un noyau d'hydrogène-1, et elle a été désignée 1 H 1 . Sa charge électrique était minime, c'est-à-dire qu'elle était exactement égale à la charge de l'électron, mais avait le signe opposé. Cependant, la masse de cette particule était 1836,11 fois supérieure à la masse de l’électron.

En 1914, Rutherford était convaincu que le noyau d’hydrogène était la particule chargée positivement la plus légère trouvée dans tous les noyaux atomiques. Mais pourquoi il est tellement plus lourd qu'un électron chargé négativement (bien que les deux particules aient les mêmes charges de signe opposé), il ne pouvait pas l'expliquer. Et personne ne le pouvait, ni à l’époque ni aujourd’hui. Cela reste à ce jour l’un des problèmes non résolus de la physique nucléaire.

En 1920, Rutherford a proposé d'appeler cette particule chargée positivement un proton, du mot grec protos - d'abord, car en raison de sa grande masse, elle semblait être la première, c'est-à-dire la plus importante, parmi les particules subatomiques. La masse d'un proton à l'échelle atomique est de 1,00797 et, dans la plupart des cas, elle est considérée comme l'unité sans trop d'erreurs.

Le noyau d'hydrogène 1 est constitué d'un proton. Il semblait que tous les autres noyaux devaient contenir deux protons ou plus, mais il est vite devenu clair que les noyaux atomiques (pas l'hydrogène 1, mais les autres) ne peuvent pas être constitués uniquement de protons. Un proton a une charge électrique de +1 et un nombre de masse approximativement égal à un, et si les noyaux étaient composés uniquement de protons, leur numéro atomique devrait être égal au numéro atomique. Mais cela n’est vrai que pour l’hydrogène-1. Le nombre de masse des autres noyaux est supérieur à leur numéro atomique.

Prenons par exemple un noyau d'azote ayant un nombre de masse de 14. S'il était constitué uniquement d'un proton, sa charge électrique serait de +14 et, par conséquent, son numéro atomique serait également de 14. En réalité, la charge électrique du noyau le noyau azoté est +7 et le noyau peut désigner 7 N 14. Qu’arrive-t-il aux sept unités de charge restantes ?

Au début, les physiciens pensaient que la réponse résidait dans la présence d’électrons dans le noyau. Si le noyau d’azote contenait 14 protons et 7 électrons, la masse totale des sept électrons serait suffisamment petite pour être ignorée, mais les électrons compenseraient la moitié des charges positives. Comme effet secondaire, la présence d’électrons nucléaires affecterait également la capacité du noyau à émettre des électrons sous forme de particules ?. Ce modèle de la structure du noyau a échoué sur la question du spin de la particule.

On sait que lorsque des particules chargées se déplacent, un champ magnétique se crée. En 1928, le physicien anglais Paul Dirac conclut que les particules chargées se déplacent même lorsqu'elles semblent au repos. Il est préférable de supposer que ces particules tournent autour de leur axe, c'est-à-dire qu'elles ont un certain moment cinétique. Si une particule tourne, elle doit avoir de l’énergie qui est absorbée dans certaines parties, ou quanta. Cela est vrai pour tous les corps en rotation (même les planètes comme la Terre). La magnitude du quantum, cependant, est si petite par rapport à l’énergie de rotation totale de la Terre que si la Terre recevait un quantum, voire un billion de quanta, d’énergie de rotation, personne ne remarquerait rien. Mais si une particule subatomique recevait un tel quantum d'énergie, sa rotation changerait sensiblement, car pour une particule subatomique, le quantum est très grand. La rotation d'une particule ne peut être détectée par aucune mesure, mais on peut montrer que les valeurs du spin de la particule ne correspondent qu'à un nombre entier de quanta d'énergie. L'amplitude du moment cinétique d'une particule en rotation est extrêmement petite. Par conséquent, une échelle spéciale a été inventée, selon laquelle le spin du photon était pris égal à l'unité ; sur cette échelle, le proton et l'électron ont chacun un spin de 1/2. Le moment cinétique peut être dirigé dans le sens horaire ou antihoraire. Un proton ou un électron peut tourner dans un sens ou dans un autre et, par conséquent, son spin est soit +1/2, soit -1/2.

Considérons un système contenant plusieurs de ces particules. Si la loi de conservation du moment cinétique est valide, le spin total du système doit être égal à la somme des spins des particules individuelles. Supposons que le système soit constitué de quatre particules – des protons ou des électrons, ou les deux. Si chaque particule a un spin de +1/2 ou -1/2, le spin total est nul ou une valeur entière. Le spin total de tout système contenant un nombre pair de particules, dont chacune a un spin de + 1/2 ou -1/2, est toujours nul ou entier.

Si le système est constitué d'un nombre impair de particules, dont chacune a un spin de +1/2 ou -1/2, le spin total ne sera jamais égal à un nombre entier ou à zéro, mais ne prendra que des valeurs demi-entières.

Par conséquent, si le noyau atomique est constitué de protons et d’électrons, le spin total du noyau (spin nucléaire) dépend du nombre total de toutes les particules. Ensuite, si le noyau d'azote 7 N 14 est effectivement constitué de 14 protons et 7 électrons, le nombre total de particules est de 21, c'est-à-dire impair, et le spin nucléaire de l'azote-14 devrait être égal à 1/2.

Des expériences réalisées en 1929 ont cependant montré qu'il est égal à un nombre entier.

Cette divergence a également été constatée pour certains autres noyaux. Il est devenu évident que si les noyaux contiennent à la fois des protons et des électrons, certains d'entre eux violent la loi de conservation du moment cinétique. Les physiciens n’aiment vraiment pas abandonner la loi s’il existe un moyen de l’éviter, alors ils se sont précipités à la recherche d’une autre explication pour la structure du noyau.

Supposons qu'au lieu d'une paire proton-électron, il y ait une particule non chargée dans le noyau. Son existence n'affecte pas la loi de conservation de la charge électrique, puisque la charge électrique totale de la paire proton-électron est nulle, et la charge de la particule qui les remplace est également nulle.

La différence réside dans le moment cinétique. Si un proton et un électron ont des spins de +1/2 ou -1/2 chacun, le spin total sera de +1, 0 ou -1. Une particule non chargée peut avoir une rotation de +1/2 ou -1/2. Le noyau d’azote 14 doit alors être constitué de protons et de particules non chargées.

Si la masse d'une particule neutre est égale à la masse d'un proton, le nombre de masse devrait être de 14 et le numéro atomique (dû aux seuls protons, puisqu'ils sont les seuls à avoir une charge positive) devrait être de sept, c'est-à-dire qu'il serait l'isotope 7 N 14. Seul le nombre total de particules dans le noyau serait de 14, c'est-à-dire pair, au lieu de 21 impairs. Mais avec un nombre pair de particules, dont chacune a un spin de 1/2, le spin du noyau d'azote doit être un entier. Ainsi, la loi de conservation du moment cinétique serait sauvegardée.

La difficulté résidait dans la recherche elle-même de cette particule non chargée.

Les méthodes de détection des particules subatomiques reposaient sur leur capacité à extraire les électrons des atomes avec lesquels elles entrent en collision, les transformant en ions. Ces dernières sont enregistrées par divers instruments utilisés par les physiciens pour étudier les particules.

Les ions sont formés par des particules portant tout type de charge. Une particule chargée négativement repousse les électrons chargés négativement et les fait sortir de l’atome près duquel elle vole. Une particule chargée positivement attire les électrons, les arrachant aux atomes les plus proches. Une particule non chargée n’interagit pas avec les électrons, c’est-à-dire qu’elle ne forme pas d’ions et ne peut donc pas être détectée directement. Il existe cependant des méthodes indirectes pour détecter des objets normalement invisibles. Si vous regardez par la fenêtre, vous verrez des arbres, mais pas d’air. Cependant, si vous remarquez que le feuillage des arbres se balance, vous pouvez à juste titre supposer qu'il reçoit de l'énergie en raison du mouvement de certaines masses que vous ne pouvez pas voir. En étudiant attentivement le comportement des feuilles en mouvement, vous pouvez en apprendre beaucoup sur les propriétés de l'air sans le voir du tout.

À partir de 1930, les scientifiques ont commencé à remarquer que lorsque certains éléments sont bombardés de particules ?, un rayonnement est généré qui ne peut pas être détecté par les méthodes conventionnelles. Si de la paraffine était placée sur le trajet d’un tel rayonnement, des protons en étaient émis. Quelque chose a donné de l'élan aux protons. L'impulsion transférée était importante, par conséquent, le rayonnement devait être constitué de particules très lourdes ou très rapides, et peut-être à la fois lourdes et rapides. Le physicien anglais James Chadwick a pu interpréter correctement les données obtenues et a annoncé en 1932 la découverte d'une particule neutre longtemps suspectée. On l'appelait le neutron. Un neutron a une masse légèrement supérieure à la masse d’un proton ; il est actuellement supposé être 1,008655. Le neutron a une charge électrique nulle et un spin de +1/2 ou -1/2, c'est-à-dire exactement les propriétés nécessaires pour sauvegarder la loi de conservation du moment cinétique.

Le physicien allemand Werner Karl Heisenberg a immédiatement supposé que le noyau était constitué de protons et de neutrons, c'est-à-dire des deux types de nucléons mentionnés ci-dessus.

Puisque les nombres de masse des protons et des neutrons sont approximativement un, le nombre de masse de tout noyau est égal au nombre de nucléons qu’il contient. Le numéro atomique, qui représente la charge électrique du noyau, est égal au nombre de protons, puisque seuls les protons portent une charge électrique. Le noyau 2 He 4 est constitué de 2 protons et 2 neutrons (soit quatre nucléons), 8 O 16 est constitué de huit protons et huit neutrons (soit 16 nucléons), 90 Th 232 est constitué de 90 protons et 142 neutrons (soit de 232 nucléons).

Tous les isotopes d’un élément ont le même numéro atomique, ils doivent donc tous avoir le même nombre caractéristique de protons dans leur noyau. Ils ont des nombres de masse différents, ils doivent donc avoir un nombre de nucléons différent. Cette différence n’est due qu’à la différence du nombre de neutrons. Ainsi, les noyaux de deux isotopes du carbone, 6 C 12 et 6 C 13, contiennent 6 protons et 6 neutrons dans le premier cas et 6 protons et 7 neutrons dans le second.

Quant à l'uranium, le noyau 92 U 235 est constitué de 92 protons et 143 neutrons, soit un total de 235 nucléons, le noyau 92 U 238 est constitué de 92 protons et 146 neutrons, soit un total de 238 nucléons.

Désintégration des neutrons

Le modèle proton-neutron du noyau satisfait pleinement les physiciens et est considéré comme le meilleur à ce jour. Cependant, à première vue, cela suscite quelques doutes. Si le noyau atomique est constitué uniquement de protons et de neutrons, la question se pose à nouveau de savoir comment des électrons chargés négativement peuvent s'en échapper sous forme de particules ?. Que se passe-t-il s’il n’y a pas d’électrons dans le noyau et qu’ils se forment au moment de la désintégration ? Appliquons les lois de conservation pour trouver la bonne solution.

La formation d’un électron signifie la création d’une charge électrique négative. Mais selon la loi de conservation de la charge électrique, une charge négative ne peut pas se former tant qu’une charge positive n’apparaît pas en même temps. Cependant, aucune particule chargée positivement ne s'envole du noyau avec la particule ? ; par conséquent, une telle particule doit rester à l'intérieur du noyau. On sait qu'à l'intérieur du noyau, il n'y a qu'une seule particule chargée positivement : le proton. De tout ce qui a été dit, il s'ensuit que lorsqu'un électron est émis par un noyau, un proton se forme à l'intérieur du noyau. Passons à la loi de conservation de l'énergie. Un proton a une masse, et s’il se forme, la masse doit disparaître ailleurs. Tous les noyaux, à l'exception de l'hydrogène 1, contiennent des neutrons. N'étant pas chargé, un neutron apparaît ou disparaît sans violer la loi de conservation de la charge électrique. Ainsi, lorsqu’une particule α est émise à l’intérieur du noyau, un neutron disparaît et en même temps un proton apparaît (Fig. 4). Autrement dit, un neutron se transforme en proton et émet un électron. Il n'y a pas de violation de la loi de conservation de l'énergie, puisque le neutron est légèrement plus lourd que le proton. Un proton et un électron ont ensemble une masse de 1,008374 sur l’échelle de poids atomique, tandis qu’un neutron a une masse de 1,008665. Lorsqu’un neutron se transforme en électron et en proton, la masse de 0,00029 « disparaît ». En réalité, elle se transforme en énergie cinétique de la particule émise, égale à environ 320 keV.

Riz. 4. Rayonnement ?-particules.

Cette explication semble satisfaisante, résumons donc en utilisant un système de symboles aussi simple que possible. Notons le neutron n, le proton p +, l'électron e - et écrivons l'équation du rayonnement de la particule ? :

n > p + + e - .

Notre raisonnement ne reflète qu’indirectement ce qui se passe à l’intérieur du noyau. En réalité, on ne peut pas regarder à l’intérieur d’un noyau et voir un proton se transformer en neutron lorsqu’un électron chargé est libéré. Au moins pas encore. Est-il possible d’observer des neutrons individuels à l’état libre ? Vont-ils, pour ainsi dire, se transformer en protons sous nos yeux et émettre des électrons rapides ?

En 1950, les physiciens parvinrent enfin à trouver la réponse. Les neutrons libres se désintègrent de temps en temps et se transforment en protons, ce qui n'arrive pas souvent. Chaque fois qu’un neutron subit cette modification, un électron est émis.

Les neutrons existent à l’état libre jusqu’à ce que la désintégration se produise, et la question de la durée de cette période est très importante. Il est impossible de dire quand exactement un neutron subira une désintégration radioactive. Ce processus est aléatoire. Un neutron existe sans se désintégrer pendant un millionième de seconde, un autre pendant cinq semaines et un troisième pendant vingt-sept milliards d'années. Cependant, pour un grand nombre de particules du même type, il est possible de prédire avec une précision raisonnable le moment où un certain pourcentage d’entre elles se désintégrera. (De même, un statisticien des assurances ne peut pas prédire combien de temps vivra une personne individuelle, mais pour un grand groupe de personnes d'un certain âge, profession, lieu de résidence, etc., il peut prédire avec une précision considérable combien de temps il faudra pour vivre la moitié du temps. d'entre eux à mourir.)

Le temps pendant lequel la moitié des particules d'un type donné se désintègre est généralement appelé demi-vie de la particule. Le terme a été inventé par Rutherford en 1904. Chaque type de particule a sa propre demi-vie caractéristique. Par exemple, la demi-vie de l'uranium 238 est de 4,5,10 9 ans et celle du thorium 232 est beaucoup plus longue - 1,4,10 10 ans. Par conséquent, l'uranium et le thorium se trouvent encore en quantités importantes dans la croûte terrestre, malgré le fait qu'à un moment donné, certains de leurs atomes se désintègrent. Au cours des cinq milliards d’années d’histoire de la Terre, seule la moitié des réserves d’uranium 238 et bien moins de la moitié des réserves de thorium 232 se sont désintégrées.

Certains noyaux radioactifs sont beaucoup moins stables. Par exemple, lorsque l’uranium 238 émet une particule, celle-ci se transforme en thorium 234. La demi-vie du thorium-234 n'est que de 24 jours, il n'y a donc que des traces de cet élément dans la croûte terrestre. Il se forme très lentement à partir de l'uranium 238 et, une fois formé, se désintègre très rapidement.

Lorsque le thorium 234 se désintègre, il émet une particule. À l’intérieur du noyau du thorium, un neutron se transforme en proton. Cette transformation du thorium 234 se produit à une vitesse telle que sa demi-vie est de vingt-quatre jours. Dans d'autres isotopes radioactifs, les neutrons se transforment beaucoup plus lentement en protons. Par exemple, le potassium 40 émet des particules β avec une demi-vie de 1,3·10 9 ans. Certains isotopes ne sont pas du tout sujets à la désintégration radioactive. Ainsi, dans les noyaux des atomes d'oxygène 16, à notre connaissance, pas un seul neutron ne se transforme en proton, c'est-à-dire que la demi-vie est infinie. Cependant, ce qui nous intéresse le plus, c'est la demi-vie d'un neutron libre. Un neutron libre n'est pas entouré d'autres particules qui le rendraient plus ou moins stable, prolongeant ou raccourcissant sa demi-vie, c'est-à-dire que dans le cas d'un neutron libre, nous avons, pour ainsi dire, une demi-vie non déformée. Il s'avère que cela équivaut à environ douze minutes, ce qui signifie que la moitié des billions de neutrons sont convertis en protons et en électrons à la fin de chaque douzième minute.