Внутри атомного ядра: сильное и слабое

«Квантик» №8, 2019 • Физика элементарных частиц, Химия • Комментировать

Валерия Сирота
«Квантик» №8, 2019

Читавшие статью про устройство атомов в «Квантике» № 11 за 2018 год знают, что любое вещество состоит всего из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — тяжёлые, гораздо тяжелее электронов. Они образуют ядра атомов, а электроны летают вокруг этих ядер, совсем улететь им не даёт электрическое притяжение протонов: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, и все частицы с зарядами одного знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами разных знаков — притягиваются.

Задача 1

Размер атомного ядра примерно 10⁻¹⁵ м¹, а размер атома — диаметр орбит электронов — примерно 10⁻¹⁰ м. Если мы, делая модель атома, в качестве ядра нарисуем ручкой точку размером 1 мм, какого размера нужно рисовать атом? А какого размера получится в таком масштабе модель вируса гриппа? Размер настоящего вируса гриппа — 10⁻⁷ м.

Ответ

Размер атома в этой модели (10⁻¹⁰ : 10⁻¹⁵) · 1 мм = 10⁵ мм = 100 м. Размер вируса (10⁻⁷ : 10⁻¹⁵) · 1 мм = 10⁸ мм = 100 км.

Рисунок Марии Усеиновой («Квантик» №8, 2019)

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны — они вместе называются нуклонами² — «держатся» друг за дружку ядерными силами. Это совсем не то же самое, что электрические (точнее, электромагнитные) силы. Например, в ядерном взаимодействии протон и нейтрон участвуют «на равных» (в отличие от электромагнитного, ведь у нейтрона электрического заряда нет, а у протона есть). Ядерное взаимодействие иначе называют сильным, так что можно сказать: «В ядре действуют сильные силы» — и это не будет бессмысленным повтором.

Эти «сильные силы» действительно очень велики, иначе ядра не удерживались бы и разваливались. Ведь протоны в них все «отпихиваются» друг от друга электрическими силами. К тому же нуклоны в ядре не стоят на месте, а быстро движутся. Попробуйте втроём-вчетвером взяться за руки и начать беспорядочно прыгать и метаться туда-сюда. Удержать друг друга и не расцепить руки будет гораздо сложнее, чем если бы все спокойно водили хоровод.

Радиоактивность

И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется распад ядра, или радиоактивный распад, а элементы, или изотопы (помните, что это?), которые норовят распасться, называются радиоактивными. В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Разве что по ядру очень сильно стукнет, например, ещё один протон или нейтрон (это будет вынужденный распад). Они такие стабильные потому, что в них правильное соотношение протонов и нейтронов: у лёгких ядер — протонов и нейтронов примерно поровну, а у тяжёлых — нейтронов чуть больше; чем тяжелее ядро, тем больше доля нейтронов (проверьте по таблице Менделеева). Но ядру вредно быть очень толстым: если протонов в нём совсем много (больше 82), то устойчивой конфигурации уже нет: сколько нейтронов ни клади, ядро развалится.

Если соотношение протонов и нейтронов «неудачное», ядро рано или поздно распадётся. Некоторые, правда, могут перед этим прожить многие миллиарды лет, а другие не проживут и долю секунды. Ядро может развалиться на пару ядер поустойчивей и полегче, но чаще всего от него просто откалывается небольшой кусочек — обычно два протона и два нейтрона, то есть как раз ядро атома гелия. Ядро гелия ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$ иначе называется альфа-частицей, а распад с испусканием этой частицы — альфа-распадом. Вот пример такой ядерной реакции:

${}^{238}_{92}\mathrm{U}$ → ${}^{234}_{90}\mathrm{Th}$ + ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$.

Здесь ядро урана превращается в ядро тория.

Задача 2

Вспомните, что значат числа, стоящие возле символа элемента, и проверьте, что ни один протон или нейтрон в этом процессе не пострадал.

Ответ

Вверху слева — массовое число, то есть число нуклонов (протоны + нейтроны) в ядре, внизу слева — заряд ядра, то есть число протонов.

Задача 3

Напишите реакцию альфа-распада радия (сведения о радии см. в таблице Менделеева)³.

Ответ

${}^{226}_{88}\mathrm{Ra}$ → ${}^{222}_{86}\mathrm{Rn}$ + ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$.

Бета-распад

И вот — чудо. Представьте, берёте вы ядро радиоактивного изотопа — ну, например, цезий-137 — и ждёте, когда оно распадётся. А из него вместо альфа-частицы вылетает электрон! Откуда он взялся в ядре?! Там ведь только протоны и нейтроны!

Тут в игру вступает ещё одна новая сила, про которую мы пока не говорили. Чтобы подчеркнуть её отличие от сильного взаимодействия, её назвали слабой. И сама по себе она, действительно, куда слабее. Но слабые могут делать такое, чего не могут сильные.

С этой силой нейтрон в ядре действует... сам на себя и просто превращается в протон и электрон! И ещё в одну очень лёгкую частичку, антинейтрино.

Всё верно, и вас не обманывали: нейтрон — элементарная частица, то есть его нельзя разделить на части. Нет у него внутри протона с электроном. Он именно в них превращается. Слабые силы превращают одни частицы в другие!⁴ И в ядре им сделать это труднее. А вот когда нейтрон сам по себе, ни с кем не связан сильными силами (говорят: свободный нейтрон), он этот фокус проделывает с лёгкостью! В свободном состоянии нейтроны живут только около 15 минут. А потом — распадаются. Вот так:

n → p⁺ + e⁻ + $\bar{ν}$.

Здесь у значков протона и электрона написаны их заряды. Суммарный электрический заряд в этом процессе сохраняется: как был ноль, так и остался.

То же может произойти и в ядре, когда в нём слишком много нейтронов. Например, вот так:

${}^{137}_{55}\mathrm{Cs}$ → ${}^{137}_{56}\mathrm{Ba}$ + e⁻ + $\bar{ν}$.

Обратите внимание, что масса ядра (число нуклонов в нём) остаётся прежней, а заряд его увеличивается на единицу; просто нейтрон в ядре заменяется на протон. Такие процессы называются бета-распадом⁵, а электрон, вылетевший из ядра, — бета-частицей.

Задача 4

Что получится при бета-распаде изотопа водорода — трития ${}^{3}_{1}\mathrm{H}$? Какое уравнение реакции?

Ответ

${}^{3}_{1}\mathrm{H}$ → ${}^{3}_{2}\mathrm{He}$ + e⁻ + $\bar{ν}$.

Нейтрино и антинейтрино

Что же, все нейтроны распадутся когда-нибудь и их больше не будет? Нет. Во-первых, сильное взаимодействие мешает распаду, и в стабильных ядрах нейтроны надёжно защищены. Во-вторых, бывает, что протон в нестабильном ядре ухитряется «подцепить» слабыми силами электрон (например, из того же атома), и вдвоём они превращаются в нейтрон:

p⁺ + e⁻ → n + ν.

Попутно образуется другая частица — нейтрино (уже без анти-, поэтому над её значком нет чёрточки). Она, как и антинейтрино, до того лёгкая, что её массу до сих пор не смогли измерить. Как и электрон, она не участвует в сильных взаимодействиях. Но и в электромагнитном взаимодействии она тоже не участвует! Только слабые да ещё гравитационные силы (которых никому не избежать) действуют на нейтрино. Из-за этого нейтрино очень мало взаимодействуют с остальным веществом. Огромное их количество каждую секунду протыкает Землю насквозь, не замечая её и ничего по дороге не нарушая. Их очень трудно изучать — поди поймай частицу, которая проходит незамеченной через любую ловушку...

Задача 5

Такой вариант слабого взаимодействия в ядре — с поглощением электрона — называется электронным захватом. Например: ${}^{59}_{28}\mathrm{Ni}$ + e⁻ → ? + ν. Впишите сами, какое при этом получилось ядро.

Ответ

${}^{59}_{28}\mathrm{Ni}$ + e⁻ → ${}^{59}_{27}\mathrm{Co}$ + ν.

Другие «анти-»

А протон может превратиться в нейтрон? Сам по себе — не может. Потому что нейтрон тяжелее протона. Как раз на массу электрона и ещё на маленькую чуточку. Более тяжёлая вещь в более лёгкие может превратиться, а наоборот — нет. Зато если протон в ядре, ему могут помочь соседи-нуклоны: вместо недостающей массы они отдают свою энергию, из-за чего просто будут помедленнее носиться по ядру да поближе прижмутся друг к дружке. Для прочности ядра это даже очень полезно. Но совсем не каждое ядро на такое способно, а только такое «рыхлое», у которого запас энергии достаточно большой. Обычно это как раз ядра с лишними протонами — или, говоря иначе, с недостатком нейтронов. Угадайте, почему...⁶

И на что же распадается протон, если ему помогают? Он, конечно, превратится в нейтрон, но ведь надо ещё деть куда-то положительный электрический заряд. И вот на сцене появляется ещё одна элементарная частица! Это «антиэлектрон», масса у него как у электрона, а электрический заряд — такой же по величине, но обратный по знаку — положительный. У всех элементарных частиц есть свои античастицы — и у протона, и даже у нейтрона. Каждая античастица участвует во всех тех же взаимодействиях и реакциях, что и её пара, но с приставкой «анти»: например, антинейтрон распадается на антипротон, антиэлектрон и анти-антинейтрино, то есть просто нейтрино:

$\bar{n}$ → p⁻ + e⁺ + ν,

а антипротон с антиэлектроном могут превратиться в антинейтрон. Могли бы быть антиатомы, антипланеты и антилюди на них, но, похоже, такого нигде нет. Антиматерии — всех этих античастиц — в природе очень-очень мало. И долго они не живут. И вот почему: стоит античастице встретить парную ей частицу — бац! — происходит яркая вспышка, и обе они исчезают. Это называется красивым словом аннигиляция. А антиэлектрон называется красивым словом позитрон⁷.

Так что же там наше рыхлое ядро с кучей лишней энергии и страдающим от скуки протоном? Он может распасться вот так:

p⁺ + энергия ядра → n + e⁺ + ν.

Это позитронный, или бета-плюс распад. Например, такое происходит с ядрами изотопов ${}^{15}_{8}\mathrm{O}$, ${}^{11}_{6}\mathrm{C}$, ${}^{121}_{53}\mathrm{I}$.

Задача 6

Напишите сами, что получается из этих ядер при позитронном распаде.

Ответ

${}^{15}_{7}\mathrm{N}$, ${}^{11}_{5}\mathrm{B}$, ${}^{121}_{52}\mathrm{Te}$. Например, ${}^{15}_{8}\mathrm{O}$ → ${}^{15}_{7}\mathrm{N}$ + e⁺ + ν.

Теперь мы узнали более или менее всё, что может случиться с атомным ядром. А заодно обнаружили кучу новых элементарных частиц: только что было три — и вот их уже восемь... Но если такое изобилие вас пугает, можно утешаться тем, что всё, что мы видим вокруг себя, всё-таки состоит из атомов с вполне стабильными ядрами и только из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Контрольная задача

Заполните пропуски и определите тип реакций:

${}^{40}_{19}\mathrm{K}$ → ? + e⁻ + $\bar{ν}$;

? + e⁻ → ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ + ?;

${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ → ${}^{210}_{82}\mathrm{Pb}$ + ?;

${}^{13}_{7}\mathrm{N}$ → ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ + ? + ?;

${}^{212}_{83}\mathrm{Bi}$ → ${}^{208}_{81}\mathrm{Tl}$ + ?.

Ответ

${}^{40}_{19}\mathrm{K}$ → ${}^{40}_{20}\mathrm{Ca}$ + e⁻+ $\bar{ν}$; бета-распад.

${}^{235}_{93}\mathrm{Nр}$ + e⁻ → ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ + ν; электронный захват (нептуний — элемент, названный в честь планеты Нептун).

${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ → ${}^{210}_{82}\mathrm{Pb}$ + ${}^{25}_{10}\mathrm{Ne}$; кластерный распад (распад на две большие части).

${}^{13}_{7}\mathrm{N}$ → ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ + e⁺ + ν; бета-плюс распад (позитронный распад).

${}^{212}_{83}\mathrm{Bi}$ → ${}^{208}_{81}\mathrm{Tl}$ + ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$; альфа-распад.

Художник Мария Усеинова

¹ Напомним: $10^{−15} = \frac{1}{10^{15}} = \frac{1}{10 ... 0}$ — в знаменателе число с 15 нулями.

² От латинского слова nucleus — ‘ядро’.

³ Нам нужен основной изотоп радия, чаще всего встречающийся в природе.

⁴ Как именно происходит это превращение, понять с помощью наших обычных представлений невозможно, но физики умеют посчитать, что получается, написав определённые уравнения.

⁵ Альфа — первая буква греческого алфавита, а бета — вторая. Эти два вида распада — самые частые.

⁶ Ответ — в следующей статье, в следующем номере «Квантика».

⁷ От слова positive — ‘положительный’.

Написать комментарий