β-
излучение, испускание быстрого электрона из ядра (сопутствующий антинейтрино опущен). В модели ядра Резерфорда красные сферы были протонами с положительным зарядом, а синие сферы - протонами, прочно связанными с электроном без общего заряда.
На вставке показан бета-распад свободного нейтрона в его современном понимании; в этом процессе создаются электрон и антинейтрино.
Вне ядра , свободные нейтроны нестабильны и имеют среднюю продолжительность жизни в879,6 ± 0,8 с (около 14 минут 39,6 секунды). [1] Следовательно, период полураспада для этого процесса (который отличается от среднего времени жизни в ln (2) ≈ 0,693 раз ) равен611 ± 1 с (около 10 минут 11 секунд). [2] бета - распад нейтрона, описанные выше, могут быть обозначены следующим образом : [3]
Этот распад, как и любой процесс изменения вкуса , происходит под действием слабой силы . Он включает в себя выброс
W-
бозон из одного из нижних кварков в нейтроне, тем самым превращая нижний кварк в верхний кварк, а нейтрон в протон; в
W-
затем распадается на электрон и антинейтрино . Следующие уравнения обозначают тот же процесс, что и первое уравнение выше, но также включают недолговечные
W-
и описать процесс как на нуклонном, так и на кварковом уровне:
Для свободного нейтрона энергия распада для этого процесса (основанная на массах покоя нейтрона, протона и электрона) составляет 0,782343 МэВ. Это разница между массой покоя нейтрона и суммой масс покоя продуктов. Эту разницу нужно унести в виде кинетической энергии . Максимальная энергия бета-распада электрона (в процессе, когда нейтрино получает исчезающе малое количество кинетической энергии) была измерена на уровне 0,782 ± 0,013 МэВ. [4] Последнее число недостаточно точно измерить, чтобы определить сравнительно крошечную массу покоя нейтрино.(которая теоретически должна быть вычтена из максимальной кинетической энергии электрона); кроме того, масса нейтрино ограничивается многими другими методами.
Небольшая часть (примерно один из 1000) свободных нейтронов распадается с теми же продуктами, но с добавлением дополнительной частицы в виде испускаемого гамма-луча :
- п0 → п+ + е- + νе + γ
Этот гамма-луч можно рассматривать как своего рода «внутреннее тормозное излучение », которое возникает, когда испускаемая бета-частица (электрон) электромагнитно взаимодействует с зарядом протона. В этом процессе часть энергии распада уносится в виде энергии фотона . Производство внутреннего тормозного гамма-излучения также является второстепенным признаком бета-распада связанных нейтронов, то есть нейтронов внутри ядра.
Очень небольшая часть нейтронных распадов (около четырех на миллион) - это так называемые «двухчастичные (нейтронные) распады», в которых протон, электрон и антинейтрино образуются как обычно, но электрон не может получить необходимые 13,6 эВ. энергия , чтобы избежать протона ( энергия ионизации из водорода ), и поэтому просто остается связанным с ним, в качестве нейтрального атома водорода (один из «двух тел»). В этом типе распада свободного нейтрона, по существу, вся энергия распада нейтрона уносится антинейтрино (другим «телом»).
Превращение свободного протона в нейтрон (плюс позитрон и нейтрино) энергетически невозможно, поскольку свободный нейтрон имеет большую массу, чем свободный протон. [ необходима цитата ] Однако см. распад протона .
Загадка времени жизни нейтрона [ править ]
Хотя время жизни нейтрона изучается в течение десятилетий, в настоящее время существует непоследовательность в отношении его точного значения из-за различных результатов двух экспериментальных методов («бутылка» или «пучок» [5] ). Хотя допустимая погрешность когда-то перекрывалась, растущее совершенствование техники, которое должно было решить проблему, не смогло продемонстрировать сходимость к одному значению. [6] [7] [8] [9] Разница в средних значениях срока службы, полученная по состоянию на 2014 год, составила примерно 9 секунд. [7] Кроме того, прогноз значения, основанный на квантовой хромодинамике на 2018 год, все еще недостаточно точен, чтобы поддерживать одно по сравнению с другим. [10]Как обсуждалось в [5], тест пучка будет некорректным, если есть мода распада, которая не производит протон.
Ссылки [ править ]
- ^ [1] Обзор физики элементарных частиц 2020 г. Нейтрон означает жизнь
- ^ J. Beringer et al. (Группа данных по частицам), Phys. Ред. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf
- ^ Таблица сводных данных по группам частиц по барионам . lbl.gov (2007). Проверено 16 августа 2012.
- ^ Основные идеи и концепции в ядерной физике: вводный подход, третье издание K. Heyde Taylor & Francis 2004. ISBN для печати 978-0-7503-0980-6 . электронная книга ISBN 978-1-4200-5494-1 . DOI: 10.1201 / 9781420054941.ch5 ( полный текст ).
- ^ a b Вулховер, Натали (13 февраля 2018 г.). «Загадка жизни нейтронов углубляется, но темной материи не замечено» . Журнал Quanta . Проверено 31 июля 2018 года .
Когда физики отделяют нейтроны от ядер атомов, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько их остается там через некоторое время, они делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 минут и 39 секунд. Но когда другие физики генерируют пучки нейтронов и подсчитывают возникающие протоны - частицы, на которые распадаются свободные нейтроны, - они устанавливают среднее время жизни нейтрона примерно на 14 минут 48 секунд. Расхождение между измерениями «бутылки» и «пучка» сохраняется с тех пор, как оба метода измерения долговечности нейтрона начали давать результаты в 1990-х годах. Сначала все измерения были настолько неточными, что это никого не волновало. Однако постепенно оба метода улучшились, но все еще расходятся во мнениях.
- ^ Пол, Стефан (2009). «Загадка времени жизни нейтрона». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 611 (2–3): 157–166. arXiv : 0902.0169 . Bibcode : 2009NIMPA.611..157P . DOI : 10.1016 / j.nima.2009.07.095 . ISSN 0168-9002 . S2CID 9765336 .
- ^ a b Московиц, Клара (2014). «Тайна нейтронной смерти поставила физиков в тупик». Природа . DOI : 10.1038 / nature.2014.15219 . ISSN 1476-4687 . S2CID 123870434 .
- ^ Грин, Джеффри Л .; Гельтенборт, Питер (2016). «Нейтронная загадка». Scientific American . 314 (4): 36–41. Bibcode : 2016SciAm.314d..36G . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0416-36 . ISSN 0036-8733 . ОСТИ 1481712 . PMID 27082189 .
- Перейти ↑ Mumm, Pieter (2018). «Решение загадки времени жизни нейтрона». Наука . 360 (6389): 605–606. Bibcode : 2018Sci ... 360..605M . DOI : 10.1126 / science.aat7140 . ISSN 0036-8075 . PMID 29748273 . S2CID 206667316 .
- ^ «Ученые-ядерщики рассчитывают ценность ключевого свойства, которое приводит к распаду нейтронов» . Брукхейвенская национальная лаборатория . 30 мая 2018 . Проверено 31 июля 2018 года .
Ученые уже использовали новый расчет аксиальной связи нуклонов, чтобы получить чисто теоретическое предсказание времени жизни нейтрона. Сейчас это новое значение согласуется с результатами обоих типов экспериментальных измерений, которые отличаются всего на 9 секунд. «У нас есть число для времени жизни нейтрона: 14 минут 40 секунд с полосой погрешности 14 секунд. Это прямо посередине значений, измеренных в двух типах экспериментов, с большой полосой погрешности, которая перекрывает оба », - сказал Ринальди.
Литература [ править ]
- Б. Г. Ерозолимский (1975). «Бета-распад нейтрона» . Успехи физических наук . 116 (1): 145–164.
