§ 263.  Позитрон. b⁺-Распад. Электронный захват

П. Дираком было получено (1928) реляти­вистское волновое уравнение для электро­на, которое позволило объяснить все ос­новные свойства электрона, в том числе наличие у него спина и магнитного мо­мента. Замечательной особенностью урав­нения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, но и отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электро­на — позитрона.

Гипотеза Дирака, недоверчиво воспри­нимавшаяся большинством физиков, была блестяще подтверждена в 1932 г. К. Ан­дерсоном (американский физик (р. 1905); Нобелевская премия 1936г.), обнаружив­шим позитрон в составе космического из­лучения. Существование позитронов было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Эти частицы в камере отклонялись так, как отклоняется движущийся положитель­ный заряд. Опыты показали, что позитрон ⁰₊₁е—частица с массой покоя, в точности равной массе покоя электрона, и спином h/2, несущая положительный электриче­ский заряд +е.

Жолио-Кюри — Фредерик (1900— 1958) и Ирен (1897—1956),—бомбарди­руя различные ядра a-частицами (1934), обнаружили искусственно-радиоактивные

ядра (см. §255), испытывающие b^--рас­пад, а реакции на В, Аl и Mg привели к искусственно-радиоактивным ядрам, претерпевающим b⁺-распад, или позитронный распад:

(Нобелевская премия 1956г.) Наличие в этих реакциях позитронов доказано при изучении их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле.

Таким образом, в экспериментах Жо­лио-Кюри, с одной стороны, открыта искусственная радиоактивность, а с дру­гой — впервые обнаружен позитронный радиоактивный распад.

Энергетический b⁺-спектр, как и b^--спектр (см. §258), непрерывен. b⁺-Распад подчиняется следующему правилу смещения:

^A_ZX®^A_Z-1Y+⁰₁e.

Процесс b⁺ -распада протекает так, как если бы один из протонов ядра превратил­ся в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

¹₁p+¹₀n+⁰₊₁e+⁰₀v_e,         (263.1)

причем одновременный выброс нейтрино вытекает из тех же соображений, которые излагались при обсуждении b^--распада (см. §258). Так как масса покоя протона меньше, чем у нейтрона, то реакция (263.1) для свободного протона наблю­даться не может. Однако для протона, связанного в ядре благодаря ядерному взаимодействию частиц, эта реакция ока­зывается энергетически возможной.

Вскоре после опытов К. Андерсона, а также обоснования b⁺-распада было установлено, что позитроны могут рож­даться при взаимодействии g-квантов

 

 

427

большой энергии (E_g>1,02 МэВ = 2m_ec) с веществом (см. также §259). Этот про­цесс идет по схеме

g®⁰_-1e+⁰₊₁e. (263.2)

Электронно-позитронные пары были дей­ствительно обнаружены в помещенной в магнитное поле камере Вильсона, в кото­рой электрон и позитрон, имеющие про­тивоположные по знаку заряды, отклоня­лись в противоположные стороны.

Для выполнения соотношения (263.2) помимо выполнения законов сохранения энергии и импульса необходимо, чтобы фотон обладал целым спином, равным О или 1, поскольку спины электрона и по­зитрона равны ¹/₂. Ряд экспериментов и те­оретических выкладок привели к выводу, что спин фотона действительно равен 1 (в единицах h).

При столкновении позитрона с элек­троном происходит их аннигиляция:

⁰_-1e+⁰₊₁e®2g; (263.3)

в ее процессе электронно-позитронная па­ра превращается в два g-кванта, причем энергия пары переходит в энергию фото­нов. Появление в этом процессе двух g-квантов следует из закона сохранения импульса и энергии. Реакция (263.3) под­тверждена прямыми экспериментами под руководством советского ученого Л. А. Арцимовича (1909—1973). Процессы (263.2) и (263.3) — процессы возникновения и превращения электронно-позитронных пар — являются примером взаимосвязи различных форм материи: в этих процес­сах материя в форме вещества превраща­ется в материю в форме электромагнитно­го поля и наоборот.

Для многих ядер превращение протона в нейтрон, помимо описанного процесса (263.1), происходит посредством элек­тронного захвата, или e-захвата, при кото­ром ядро спонтанно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (К, L и т.д.), испуская нейтрино:

¹₁p+⁰_-1e®¹₀n+⁰₀v_e.

Необходимость появления нейтрино выте­кает из закона сохранения спина. Схема

e-захвата:

^A_ZX+⁰_-1e®^A_Z-1Y+⁰₀v_e.

т. е. один из протонов ядра превращается в нейтрон, заряд ядра убывает на единицу и оно смещается влево так же, как и при позитронном распаде.

Электронный захват обнаруживается по сопровождающему его характеристиче­скому рентгеновскому излучению, возни­кающему при заполнении образовавшихся вакансий в электронной оболочке атома (именно так e-захват и был открыт в 1937 г.). При e-захвате, кроме нейтрино, никакие другие частицы не вылетают, т. е. вся энергия распада уносится нейтри­но. В этом e-захват (часто его называют третьим видом b-распада) существенно отличается от b^±-распадов, при которых вылетают две частицы, между которыми и распределяется энергия распада. При­мером электронного захвата может слу­жить превращение радиоактивного ядра бериллия ⁷₄Ве в стабильное ядро ⁷₃Li:

⁷₄Be+⁰_-1e+⁰₀v_e.