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不同粒子衰變成的粒子

圖文 更新时间:2024-12-23 09:53:36

現在伸出手掌,每秒種會數以百億計的中微子穿過你的手掌,但是你完全感覺不到它們的存在,這是為啥,因為它們像幽靈一樣,從來不會和你的手掌發生任何形式的相互作用。

你的手掌在中微子的面前完全就是透明的,不光是你的手掌,整個地球對中微子來說,也是透明的,中微子可以毫不費力地穿過地球,不會受到任何影響。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)1

據說是,你想要擋住一個中微子,至少需要3光年的鉛塊,所以問題來了,中微子和其他物質的作用力這麼弱,我們是如何發現它的?那最關鍵的問題是,我們在沒有發現中微子的時候,是如何知道世界上有這麼個東西?

其實知道中微子的存在并不難,而且是一件非常自然的事情,你看,是這樣的,1896年的時候人類就發現了元素的放射性,很快盧瑟福就發現,放射性有兩種,一種是α粒子,一種是β粒子。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)2

沒過多久,人們就确認了β粒子就是電子,到了1912年的時候,化學家索迪就提出了一個元素的位移定律說的是,一個放射性元素在釋放出一個β粒子以後,就會從元素周期表中向後移一個位置。

到了1913年的時候,物理學家莫斯萊就測量了核電荷數,才解釋了索迪的位移定律,其實就是原子核放出了一個電子以後,多了一個正電荷,所以就變成了相鄰的下一個元素。以上的所有内容在我之前的視頻中都講過了。

下面我舉個粒子,比如說氚,這是氫的一個同位素,現在我們知道,他的原子核裡面有一個質子和兩個中子,當一個中子經曆β衰變以後,就會射出一個電子變成一個質子,然後原子核就會變成了兩個質子和一個中子,這其實就是氦3原子核。

雖然當時人們還沒有發現中子,但是已經可以簡單地理解β衰變的過程了,就是原子核釋放一個電子,多了一個正電荷,然後變成了其他元素。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)3

但是人們就發現了問題,在β衰變的過程中,釋放出來的電子的能量,也就是他所攜帶的動能,不是确定的,而是一個連續的能量譜,有一個最小值和最大值。

這一點就非常的奇怪,就拿上面的氚到氦3的衰變來說,氚釋放出來的電子的動能最小值是0,最大值是18.6Kev,沒有超過這個最大值的電子,不過大多數的電子的動能處在2~4Kev這個區間。

這個現象的奇怪點在于,每次釋放出來的電子的能量不一樣,但是我們又知道氚的原子核和氦3的原子核的基态能量是确定,所以從氚到氦3的轉變應該會釋放出一個動能确定的電子。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)4

但是實驗測量出來的電子的能量卻是連續的,這在當時把所有人都難住了,按照一貫的操作,當時物理學家解決這個問題辦法就是否定能量守恒定律。這就是當時玻爾的想法。

有一件事就特别奇怪,前文我們也說了,居裡夫婦在研究铍射線的時候,當時也懷疑了能量守恒定律,這讓他倆錯失了中子的發現,現在玻爾也在懷疑能量守恒定律,這又錯失了一個新粒子的發現,貌似物理學都不喜歡假設有新的東西,總是喜歡懷疑已有理論是錯的,這一點比較奇怪。

好,我們接着說氚到氦3的β衰變,在這個過程中電子動能的最大值是18.6Kev,但是大部分情況下,電子的動能都要小于這個值,那問題是還有一部分能量去了哪裡?這就是β衰變中能量丢失的困難。

其實不光是能量丢失了,粒子的角動量也丢失了,你看,這中子的自旋是1/2,現在它變成了一個質子和電子,這兩個自旋也是1/2,結果總自旋不是0就是1,不可能是1/2,所以角動量也不守恒了。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)5

從角動量這點可以看出,在β衰變的過程中應該還産生了一個自旋為1/2的粒子,由于它對電磁作用沒有反應,所以可以斷定它是一個中性粒子,從電子的能量譜可以看出它的質量極其微小,甚至質量是0,這就是1931年泡利對中微子的預言。

所以β衰變的過程就變成了這樣的,一個中子發生β衰變以後,會變成了一個質子、一個電子和一個反電子中微子。

這裡我想問大家一個問題,為什麼在上述的反應中,生成的是一個反電子中微子。大家先思考一下,後面我會加以說明。

好,那既然泡利預言了中微子,那我們就需要找到這個粒子,可是中微子是出了名的難以探測,它的穿透能力太強力,所以直到25年以後,也就是1956年我們才捕捉到了中微子。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)6

要想了解探測中微子的原理,我們還需要把β衰變的過程再詳細地說一遍,剛才我們說了,一個中子會衰變成一個質子、電子和反電子中微子。

在這個反應中,我們可以看出有三個守恒的量子數,首先是重子數守恒,一個中子變成了質子,重子數不增不減。

還有電荷守恒,一個中子變成了質子,雖然質子帶了正電,但是它又釋放了一個帶負電的電子,所以電荷不增不減。

最後是輕子數守恒,由于它釋放出了一個電子為了保證電荷守恒,但是卻無緣無故地創造出了一個輕子,也就是電子,它的輕子數是1,所以為了抵消這個輕子數,就必要還要生成一個粒子,就是反電子中微子,它的輕子數是-1,所以就保證了反應的過程中輕子數也是守恒的。這就是為啥要生成反電子中微子了。

大自然就是這麼奇妙,真的是不可思議,當然除了這些守恒量以外,在反應中能量、動量、角動量肯定也是守恒的。

不光是β衰變,在以後遇到的所有的衰變過程,都要遵守最基本的守恒規律,其實也可以這麼說,隻要是遵守守恒規律的反應,都可以發生。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)7

你看,剛才我們說了,中子可以變成質子、電子和反電子中微子,那你說一個反電子中微子加上質子,能不能變成中子和正電子,這個反應可以發生嗎?

思考一下,肯定可以 ,對吧!因為它沒有違法任何守恒量,可以看出,其實我們隻是把中子到質子、電子和反電子中微子這個反應中的電子挪到了反應的前面,和中子待在一塊。但是把電子挪過去的時候,就要把它變成相應的反粒子,也就是變成正電子,這就是交叉變換原則。

這裡我們了解下就行了,聽懂沒聽懂都不要緊,我們隻需要記住一點,質子加反電子中微子,可以變成中子和正電子,這個反應。因為這個反應正是我們探測中微子存在的原理。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)8

在1956年的時候,物理學家萊因斯和柯溫,他倆就使用了200升水作為探測器,因為水裡有大量的質子,并且在探測器的兩邊分别裝了370加侖的液體閃爍探測器,用來捕捉反應後生成的γ光子。

他倆就把這個裝置埋在核電站附近很深的地下,如果真的有反電子中微子,那麼它就有可能撞上水裡的質子,然後變成中子和正電子。

正電子在水裡經過減速以後會與一個電子發生湮滅,然後會朝相反的方向釋放出兩個伽馬光子,這兩個伽馬光子的能量都是0.51M電子伏特,伽馬光子分别進入兩邊的兩個液體探測器,我們就能知道,在水裡生成了正電子,并發生了湮滅,就可以确認是質子和反電子中微子發生了反應,也就确認了中微子的存在。

不同粒子衰變成的粒子(β衰變能量丢失之謎)9

在這個反應中還生成了一個中子,這個中子随後會被摻在水裡的镉原子核吸收,镉原子核在吸收了這個中子以後會處在激發态,然後它就會釋放出伽馬光子落回到基态。

兩邊的液體閃爍探測器同樣可以檢測到生成的這些伽馬光子,就更加确認了是質子和反電子中微子發生了反應。

那實驗結果是肯定的,中微子确實存在,但不知道為啥他倆的諾獎一直到了1995年才頒發,這個時候柯溫都已經去世了,錢不錢的都不是很重要,主要是人家在世的時候沒有享受到諾獎的榮譽,這就有點可惜。

最後我們說下,為啥不直接叫中微子,而是要叫它電子中微子,因為中微子也有味道屬性,它分為了三種,其他的兩種我們在後面就說到。

由于電子中微子在反應中總是和電子相關聯,它就好像是電子的小弟一樣,所以就叫他電子中微子。或者你可以認為它是電子味道的。

好,現在我們已經知道了兩個輕子粒子,就是電子和電子中微子,他倆被稱為第一代輕子,後面我們還會說到第二代、第三代輕子。

那今天的内容就到這裡,下節課我們說中微子質量的問題。

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