Po odkryciu, iż elektrony emitowane w rozpadzie beta nie charakteryzują się jedną konkretną energią, okazało się, że rozpad ten opisywany prostym modelem: jądro pierwotne zamienia się w jądro pochodne emitując elektron, nie jest zgodny z zasadą zachowania energii. Pojawił się też problem ze zmuszeniem elektronu, aby przed zajściem rozpadu pozostawał w jądrze atomowym. Ten ostatni problem został rozwiązany po wykryciu, iż w jądrze obok protonów znajdują się również neutrony, a rozpad beta polega na przemianie neutronu w proton. W czasie tej przemiany powstaje elektron, który wyrzucany jest z jądra. Niestety model taki nie tłumaczył problemu z zasadą zachowania energii.
Przyjrzymy się teraz rozpadom beta z innej strony. Ze strony zasad zachowania. Zasady zachowania są w fizyce fundamentem, na którym muszą opierać się wszystkie tworzone teorie. Oczywiście same zasady nie pozostają niezmienne, wciąż podlegają ewolucji i wciąż muszą być potwierdzane doświadczalnie, jednak są zawsze ważnymi drogowskazami rozwoju fizyki.
Chyba najważniejszymi i zarazem najstarszymi zasadami zachowania są zasady zachowania pędu i energii. Na początku XX wieku zasady te zostały przeformułowane w języku fizyki relatywistycznej opracowanej przez Alberta Einsteina. Najistotniejszą zmianą było dodanie do zasady zachowania energii członu odpowiadającego za energię spoczywającego obiektu. Obiekt taki ma energię daną sławnym równaniem E=mc2, gdzie m to masa, zaś c to prędkość światła. Energię spoczynkową trzeba uwzględniać rozpatrując procesy subatomowe, w tym rozpady jąder. Zazwyczaj bowiem całkowita masa produktów reakcji jest mniejsza niż całkowita masa jej substratów. Część energii spoczynkowej jest w takim procesie zamieniana w energię kinetyczną produktów oraz w energię fotonów (korpuskuł światła) powstających w czasie reakcji.
Kolejną ważną zasadą jest zasada zachowania ładunku elektrycznego. Okazuje się, że w przyrodzie ładunek elektryczny jest wielkością zachowaną, tzn. nie istnieje reakcja, która w czasie zachodzenia gubiłaby lub produkowała ładunek. W pierwszej chwili stwierdzenie takie może wydać się nieprawdziwe. W końcu jeśli spotkają się ze sobą proton i elektron, oba obiekty obdarzone niezerowym ładunkiem, powstanie atom wodoru, który jest elektrycznie obojętny. Jednak tak jak w przypadku pozostałych zasad zachowania i tutaj trzeba brać pod uwagę cały układ biorący udział w reakcji. Przed reakcją bowiem całkowity ładunek układu (protonu + elektronu) jest równy zeru, po reakcji, gdy powstanie atom wodoru, całkowity ładunek układu jest również równy zeru.
Trzecią ważną zasadą zachowania jest zasada zachowania momentu pędu. Moment pędu w rozumieniu klasycznym jest wielkością określającą jak trudno jest zatrzymać obracający się obiekt. Im większa prędkość obrotów oraz masa kręcącego się obiektu, tym oczywiście jest to trudniejsze. Jeśli kręcący się obiekt rozpadnie się na kilka mniejszych, ich wypadkowy moment pędu musi być identyczny z momentem pędu obiektu przed rozpadem. I znowu początek wieku XX zmodyfikował tę znaną od dawna zasadę zachowania. W 1925 roku George Uhlenbeck i Samuel Goudsmit odkryli spin elektronu. W 1927 roku David Dennison wprowadził pojęcie spinu dla protonu. Spin można wyobrażać sobie jako wirowanie cząstek względem pewnej osi. Cząstki obdarzone są więc pewnym własnym momentem pędu. Jest jednak istotna różnica z tym, co znamy z fizyki makroświata. Okazuje się, że wirowanie cząstek jest skwantowane, tzn. może przyjmować tylko konkretne wartości. Spin (wewnętrzny moment pędu) elektronu, protonu i neutronu może przyjmować jedynie jedną wartość oznaczaną 1/2. Wirowanie takiego obiektu może za to odbywać się w dwu kierunkach – zgodnym ze wskazówkami zegara oraz przeciwnym. Potocznie mówimy, że ma wartość spinu +1/2 lub -1/2 (stwierdzenie takie nie jest do końca poprawne, ale nam wystarczy). Inne stany, łącznie ze stanem w którym cząstka pozostaje w spoczynku i się nie kręci, nie są dozwolone! Przy rozpatrywaniu reakcji jądrowych i badaniu zasady zachowania momentu pędu trzeba uwzględniać spiny zarówno produktów jak i substratów.
Zobaczmy teraz jak działają powyższe zasady zachowania dla rozpadu beta.
W rozpadzie beta jądro atomowe jednego rodzaju zamienia się w jądro innego rodzaju. Zgodnie z naszą wiedzą, zdobytą na tej stronie do tego momentu, w czasie rozpadu beta z jądra emitowany jest elektron. Jak proces ten wygląda pod względem zachowania energii? Jądro przed przemianą na ogół spoczywa. Całkowita energia początkowa układu równa się więc energii spoczynkowej owego jądra. Po rozpadzie jądro pochodne jest lżejsze od jądra pierwotnego, to znaczy, iż jego energia spoczynkowa jest mniejsza niż całkowita energia początkowa. Część brakującej energii odnajduje się w masie wyemitowanego elektronu. Po dodaniu energii spoczynkowej elektronu i powstałego jądra atomowego okazuje się jednak, że nadal energia ta jest mniejsza od energii początkowej. Jest to oczywiste, bowiem część energii początkowej została zamieniona w energię kinetyczną uciekającego elektronu (energia kinetyczna, jaką zabrało znacznie cięższe od elektronu jądro atomowe jest zaniedbywalnie mała, może być policzona dzięki użyciu innego prawa zachowania – prawa zachowania pędu). No dobrze, ale skoro są ustalone – masa jądra początkowego, masa jądra końcowego oraz masa elektronu, a więc wszystkie energie spoczynkowe pojawiające się w problemie, to energia zamieniana w energię kinetyczną musi być również ustalona. Powtórzmy to jeszcze raz. Energia spoczynkowa jądra początkowego zgodnie z zasadą zachowania energii odnajduje się w sumie energii spoczynkowej jądra końcowego, energii spoczynkowej elektronu i energii kinetycznej elektronu. Skoro pierwsze trzy są z góry ustalone, to i czwarta wielkość musi być stała. Tymczasem w wyniku doświadczenia okazało się, że energia elektronu pochodzącego z rozpadu beta nie jest stała i zmienia się od rozpadu do rozpadu! Model rozpadu beta zaproponowany przez nas: jądro pierwotne jądro -› pochodne + elektron, jest niezgodny z zasadą zachowania energii!!! Trzeba zmodyfikować model albo odrzucić zasadę zachowania energii…
W rozpadzie beta z jądra emitowany jest elektron o ładunku ujemnym. Jeśli jądro atomowe przed rozpadem zawierało Z protonów (czyli jego ładunek równy był Z ładunkom elementarnym), to po rozpadzie, aby zneutralizować wyemitowany elektron, ładunek jądra musi wynosić (Z+1) ładunków elementarnych, tzn. w jądrze na końcu reakcji musi znajdować się o jeden proton więcej niż przed reakcją. Skąd wziął się ten dodatkowy proton? W latach 30-tych XX wieku istniała teoria, mówiąca że w jądrze atomowym o ładunku +Z ładunków elementarnych mającym liczbę masową A, znajduje się A protonów oraz A-Z elektronów. Elektrony te neutralizują ładunek nadmiarowych protonów. Rozpad beta polegałby w takim modelu na wyrzuceniu jednego z owych konstytuentnych elektronów z jądra. W procesie tym w naturalny sposób jądro nabierałoby dodatkowego ładunku dodatniego i w równie naturalny sposób pojawiałby się na zewnątrz elektron. Niestety obliczenia dokonywane w ramach mechaniki kwantowej pokazywały, iż elektronu w żaden sposób nie da się utrzymać wewnątrz jądra atomowego, co stało w sprzeczności z powyższym modelem.
W 1932 James Chadwick dokonał odkrycia zupełnie nowej cząstki jądrowej – neutronu. Niedługo później Ettore Majorana zaproponował model jądra atomowego, które składałoby się z Z protonów i (A-Z) neutronów. W modelu takim nie były potrzebne elektrony wewnątrz jądra atomowego. Jednak jak wytłumaczyć w tym wypadku rozpad beta? Da się to zrobić zakładając, że jeden z neutronów w atomie w pewnym momencie zamienia się w proton. Aby w takiej reakcji ładunek był zachowany, dodatkowo musi pojawić się elektron obdarzony ładunkiem ujemnym. Wprowadzenie neutronów do jądra atomowego pozwala więc rozwiązać problem niemożności utrzymania elektronów w jego wnętrzu i jednocześnie podać nowy opis rozpadu beta. Model ten nie rozwiązuje jednak problemu z zasadą zachowania energii. Pojawia się też nowa niezgodność, o której powiemy za chwilę.
Czy wiesz, że…
Bliscy odkrycia neutronu byli Frederic i Irene Joliot-Curie (córka Marii). Doświadczenie, które przeprowadzili, polegało na bombardowaniu tarczy berylowej jądrami helu (cząstkami alfa). W wyniku bombardowania z tarczy uwalniane było promieniowanie pewnego rodzaju, które było bardzo przenikliwe i mogło wybijać protony z tarczy wodorowej umieszczonej nawet za grubą osłoną ołowianą. Promieniowanie to, jak się okazało, było właśnie neutronami. Niestety państwo Joliot-Curie nie zinterpretowali poprawnie wyniku doświadczenia.
Na poprzedniej stronie przedstawiliśmy model rozpadu beta, zgodnie z którym rozpad ten polega na przemianie jednego z neutronów zawartych w jądrze atomowym w proton oraz elektron. Elektron następnie opuszcza jądro i jest rejestrowany jako promieniowanie beta. Powiedzieliśmy również, że neutron, proton oraz elektron mają wewnętrzne momenty pędu – spiny. Zgodnie z zasadą zachowania całkowity moment pędu układu (którym jest neutron) przed reakcją musi równać się całkowitemu momentowi pędu układu po reakcji (układem tym jest układ proton-elektron). Po reakcji mogą pojawić się trzy różne konfiguracje cząstek: proton i elektron wirujące w tym samym kierunku, który jest zgodny z ruchem wskazówek zegara (wtedy wypadkowy spin wynosi +1), wirujące w kierunku zgodnym, ale przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (wtedy wypadkowy spin wynosi -1), oraz sytuacja, w której obie cząstki wirują w kierunkach przeciwnych (wypadkowy spin wynosi 0). W żadnej z powyższych możliwości całkowity moment pędu na końcu reakcji (całkowity spin) nie jest równy całkowitemu momentowi pędu przed reakcją. W naszym prostym modelu znów pojawia się problem. (Rozwiązanie tego problemu było możliwe przy pewnych szczególnych założeniach na gruncie modelu neutron – proton + elektron, jednak rozwiązanie to nie było szczególnie eleganckie i nie będziemy go tu prezentować.)
Czy wiesz, że…
Pojęcie spinu pojawia się w sposób naturalny w równaniu sformułowanym w 1928 przez Paula Diraca. Równanie to opisuje cząski elementarne łącząc język mechaniki kwantowej z językiem szczególnej teorii względności. Oprócz spinu z równania tego wynika konieczność istnienia antymaterii, która odkryta została kilka lat po jego sformułowaniu.