Почему нейтроны легче проникают в ядра атомов чем альфа и бета частицы
Стабильность нейтрона в атомном ядре
Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?
Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.
Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).
В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.
К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.
Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.
Нейтрон может распадаться
Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.
Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона
После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!
Но как она распределится?
Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.
Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.
И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.
Итоговая масса-энергия получается равной
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ
Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.
Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.
Дейтрон стабилен
Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).
Как в одном атоме умещается вся физика
Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.
Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.
Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.
От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 10 28 атомов.
Здесь на Земле существует около 90 элементов, появившихся естественным путём – в результате протекания создавших их космических процессов. По сути, элемент – это атом, чьё ядро состоит из протонов, (и возможно) нейтронов. Вокруг ядра находятся несколько электронов, чьё количество равно количеству протонов. У каждого элемента есть свой набор свойств, среди которых:
Разнообразие атомов и управляющие движущимися по орбите вокруг ядер электронами – идентичными частицами — квантовые правила позволяют без преувеличения сказать, что всё под Солнцем состоит из атомов – в том или ином виде.
Атомным и молекулярным комбинациям несть числа. Но конкретные комбинации этих составляющих, присущие определённому материалу, определяют его свойства. Принято считать, что алмазы – это самое твёрдое вещество на Земле, но на самом деле это и не самый прочный материал в принципе, и не самый прочный из природных материалов. На сегодня известно уже шесть более прочных материалов, и ожидается, что их количество будет только расти.
Каждый атом с уникальным набором протонов в ядре формирует уникальные связи с другими атомами, благодаря чему типов молекул, ионов, солей и более крупных структур может быть почти бесконечное количество. Друг на друга субатомные частицы воздействуют в основном при помощи электромагнитных сил. В итоге со временем формируются макроскопические структуры, которые мы наблюдаем не только на Земле, но и по всей Вселенной.
Общим свойством всех атомов является наличие у них массы. И чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем больше масса атома. И хотя это квантовые сущности, а диаметр одного атома не превышает одного ангстрема, дальность действия гравитации ничем не ограничена. Любой объект, обладающий энергией– включая и энергию покоя, придающую частицам массу – будет искривлять ткань пространства-времени согласно общей теории относительности Эйнштейна. Какой бы малой масса не была, каким бы ни было малым расстояние, кривизна пространства-времени, вызванная любым количеством атомов — будь то 10 57 атомов в звезде, 10 28 атомов в человеческом теле, или один атом гелия – будет происходить точно в соответствии с ОТО.
Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли – это один из способов визуализации гравитации, и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной.
Это примечательно по двум причинам. Во-первых, когда один атом приближается к другому (или к группе атомов), они могут взаимодействовать. На квантовом уровне их волновые функции могут накладываться, и атомы связываются вместе в молекулы, ионы и соли. У этих связных структур есть свои уникальные формы и конфигурации электронных облаков. Соответственно, у них есть свои уникальные уровни энергии, поглощающие и испускающие фотоны только с определёнными длинами волн.
Атомные электронные переходы в атоме водорода и длины волн возникающих фотонов демонстрируют энергию связей и взаимоотношение электрона и протона в квантовой физике.
Эти электронные переходы в атоме или группе атомов уникальны: они свои для каждого атома или конфигурации из группы атомов. Обнаружив спектральные линии атома или молекулы – неважно, поглощения или испускания – можно сразу же сказать, что это за атом или молекула. Внутренние электронные переходы согласуются с уникальным набором энергетических уровней, и переходы электронов недвусмысленно свидетельствуют о типе и конфигурации атома/атомов.
По всей Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, управляющими всеми заряженными частицами. Даже внутри самого атомного ядра, состоящего из обладающих зарядом кварков и глюонов без электрического заряда, электромагнитные связи играют важнейшую роль. Эта внутренняя структура объясняет, почему магнитный момент протона почти в три раза сильнее магнитного момента электрона (и имеет противоположный знак), а у нейтрона магнитный момент почти в два раза больше, чем у электрона, и имеет тот же знак.
У самого низкого энергетического уровня водорода (1S) слева вверху очень плотное вероятностное электронное облако. У более высоких энергетических уровней облака похожи, но имеют более сложную структуру. Для первого возбужденного состояния есть две независимых конфигурации: 2S и 2P, у которых из-за почти неуловимого эффекта получаются разные энергетические уровни.
Хотя электрическое взаимодействие работает на довольно больших расстояниях – на самом деле, как и у гравитации, у него тоже нет никаких ограничений – электрическая нейтральность атома в целом играет невероятно важную роль в понимании поведения всей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие невероятно сильно – два протона отталкиваются с силой, в 10 36 раз превышающей их гравитационное притяжение!
Но поскольку привычные нам макроскопические объекты состоят из такого количества атомов, и поскольку атомы сами по себе электрически нейтральны, мы что-то замечаем, только если:
Если потереть два разных материала, к примеру, ткань и пластик, можно перенести заряды с одного на другой, в результате чего оба объекта окажутся заряженными.
На классическом и квантовом уровнях в атоме закодировано огромное количество информации, связанное с электромагнитными взаимодействиями, при этом «классической» (не квантовой) ОТО достаточно для объяснения когда-либо встреченных нами атомных и субатомных взаимодействий. Если забраться в атом ещё глубже, вовнутрь протонов и нейтронов, можно раскрыть природу и свойства оставшихся фундаментальных взаимодействий: слабого и сильного.
Опускаясь на фемтометровые масштабы, сначала вы начнёте замечать влияние сильного взаимодействия. Впервые оно проявляется между разными нуклонами – протонами и нейтронами, из которых состоит любое ядро. Электрическое взаимодействие между двумя нуклонами либо отталкивает их (заряды протонов одинаковые), либо не возникает (зарядов у нейтронов нет). Но на малых расстояниях работает взаимодействие, ещё более сильное, чем электромагнитное: сильное взаимодействие, работающее между кварками через обмен глюонами. Разные протоны и нейтроны могут обмениваться парами кварков-антикварков – мезонами – это связывает их в ядре, и при подходящей конфигурации преодолевает силу электромагнитного отталкивания.
Отдельные фотоны и нейтроны не обладают «цветом», а содержащиеся внутри них кварки – обладают. Обмен глюонами может происходить не только внутри протона или нейтрона, но и между протонами и нейтронами, благодаря чему возникают связи внутри ядра.
В глубине атомного ядра сильное взаимодействие проявляет себя по-другому: отдельные кварки постоянно обмениваются глюонами. Кроме гравитационного заряда (массы) и электромагнитного заряда, присущего материи, есть ещё и заряд, характерный для кварков и глюонов: цветной. Они не просто всегда притягиваются, как гравитация, или обладают двумя зарядами, которые могут отталкиваться или притягиваться, как электрические. У них есть три независимых цвета – красный, зелёный и синий – и три антицвета. Встречаются они только в «бесцветной» комбинации, в которой комбинируются все три цвета (или антицвета), или же сочетаются комбинации цвет-антицвет.
Удерживает протоны и нейтроны в целости обмен глюонами – в особенности, когда кварки отдаляются, и сильное взаимодействие увеличивается. Чем больше энергии вы можете передать через столкновение с субатомными частицами, тем больше кварков, антикварков и глюонов сможете увидеть. Похоже на то, будто бы внутренности протона заполнены целым морем частиц, и чем сильнее его бить, тем более липкими они становятся. Углубляясь на величину максимальной доступной нам энергии, мы всё равно не видим ограничения на плотность этих субатомных частиц внутри атомных ядер.
Протон – это не просто три кварка с глюонами. Это целое море плотных частиц и античастиц. Чем подробнее мы изучаем протон, чем больше энергии тратим на неупругие столкновения, тем больше внутренней структуры мы в нём находим.
Но не всякий атом способен вечно жить в стабильной конфигурации. Многие атомы испытывают радиоактивный распад – рано или поздно испускают на одну или несколько частиц, что фундаментально меняет их свойства. Самый распространённый вид распада – альфа-распад, при котором нестабильный атом выплёвывает ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Второй по распространённости тип – бета-распад, при котором атом выплёвывает электрон и антиэлектронное нейтрино, а один из нейтронов ядра превращается в протон.
Схематичное изображение бета-распада массивного атомного ядра. Нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняются энергия и импульс.
Из этого следует нечто примечательное: если взять любую частицу Вселенной, даже пока не открытую, но подверженную одному из этих взаимодействий, она также будет взаимодействовать и с атомами. Через взаимодействия с частицами, находящимися внутри ничем не примечательного атома, мы открыли огромное количество частиц – в том числе, всяческие типы нейтрино и антинейтрино. Атом – это и то, из чего мы состоим, и окно в истинную природу материю.
Чем глубже мы заглядываем в строительные кирпичики материи, тем лучше мы понимаем и природу самой Вселенной. Только допрашивая Вселенную на предмет того, каким правилам подчиняются все частицы и античастицы, и как они связываются друг с другом, мы можем разобраться в её устройстве. И пока наука и технология, подвластные нам, позволяют зарываться всё глубже, обидно было бы отказываться от исследований только потому, что они не могут гарантировать нам какое-нибудь новое революционное открытие. Единственное, что известно точно: если мы не будем зарываться глубже, мы так ничего и не найдём.
Что удерживает ядра атомов?
Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?
Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?
И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.
В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.
После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.
Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.
Схема работы
Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.
И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:
Рис. 3
Размер ядра
Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.
Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:
Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:
Рис. 4