Рис. 8. Самопроизвольный распад нейтрона.
нем свободный нейтрон может «прожить» только около четверти часа (рис. 8).
В мире элементарных частиц такое время «жизни» можно считать очень продолжительным. Другие элементарные частицы распадаются в миллионы и миллиарды раз быстрее.
Итак, свободный протон устойчив, а свободный нейтрон распадается на протон и электрон. Казалось бы, можно сделать вывод, что нейтрон не элементарная частица, что он состоит из протонов и электронов. Оказывается, ничего подобного. Когда нейтроны и протоны связаны в атомных ядрах, устойчивость этих частиц изменяется. При определенных соотношениях между числом протонов и числом нейтронов ядро устойчиво: ни протоны, ни нейтроны не распадаются. Но если в такое устойчивое ядро добавить лишние нейтроны, оно станет неустойчивым (радиоактивным). Лишние нейтроны распадаются в ядре так же, как и свободные нейтроны,— на протон и электрон. Но вот что самое удивительное: если добавить в устойчивое ядро протоны, оно также перестает быть устойчивым. В таком ядре распадаются лишние протоны! Связанный, но лишний протон распадается на нейтрон и частицу, подобную электрону, но только с положительным электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном. Распад нейтронов или протонов с испусканием электронов или позитронов называют бета-распадом (рис. 9). Это одна из разновидностей радиоактивного распада.
Итак, когда мы наблюдаем бета-распад, нам кажется, что нейтрон состоит из протона и электрона, а протон — из нейтрона и позитрона. Какая же из этих частиц простая (элементарная) и какая сложная?
Чем больше сведений получали физики о природе и свойствах элементарных частиц, тем яснее становилось, что на этот вопрос нужно дать самый неожиданный ответ. Как протон, так и нейтрон — элементарные, т. е. простейшие, частицы. Ни тот ни другой не построены из еще более простых частиц. Но каждый из них в определенных условиях способен к превращениям, при которых возникают (или, как говорят, рождаются) новые частицы.
Особенно наглядно это свойство проявляется при столкновении частиц, из которых одна обладает очень большой энергией. Такие столкновения удобно изучать на специальных фотопластинках с толстым слоем эмульсии. Когда заряженная частица попадает в этот слой, она действует на него так же, как световой луч. В эмульсии после проявления виден след (или, как его называют, «трек») частицы. Можно поместить пластинку в поток частиц,
Время жизни и период полураспада нейтрона
Все события в мире атомов и элементарных частиц (иногда говорят — в микромире) подчиняются законам теории вероятности. Так, например, если следить за одним определенным нейтроном, то нельзя предсказать точно, когда именно он распадется: это может случиться очень скоро, а может и через очень длительное время. Но если наблюдать за большим числом нейтронов, то окажется, что в среднем они распадаются за вполне определенное время после того, как освободились из атомного ядра. Это, как принято говорить, среднее время жизни нейтрона — 16,9 минуты — определено с большой точностью советскими физиками. Из математической теории вероятностей следует, что из большого числа нейтронов по истечении этого времени останется «в живых» 37%, остальные 63% распадутся. Математика позволяет сосчитать, через сколько времени из большого числа нейтронов распадется половина. Для этого среднее время жизни надо умножить на 0,693. Полученный промежуток времени называют периодом полураспада. Для свободного нейтрона он равен 11,7 минуты.
Конечно, то, что мы сейчас говорили, относится не только к нейтронам, но и к любым другим частицам. Только среднее время жизни и период полураспада у них будут совсем другие.
266