Две загадки бета-распада

30

Скин-эффект

Из школьного курса физики («Физика 9», § 94) известно, что вследствие явления электромагнитной индукции в любом проводнике под действием изменяющегося магнитного поля называется вихревые токи (tokи Фуко). Они вызваются индукционным электрическим полем, которое возникает при изменении магнитного поля. Силовые линии индукционного электрического поля всегда замкнуты, поэтому и токи Фуко тоже замкнутые (вихревые). Так как обычно проводники обладают электрическим сопротивлением, энергия токов Фуко переходит в тепло (проводник нагревается), а сами токи при этом затухают.

Оказывается, что быстро переменные токи Фуко не пропикают в глубь проводника и текст практические только в его поверхности слое. Это явление называют скин-эффектом (от англійского слова skin — кожа). Его надо учитывать при использовании переменных токов (и полей) в технике.

Причину возникновения скин-эффекта качественно можно obсянить с помощью правил Ленца для электромагнитной индукции. Согласно этому правилу, направление индукционных токов всегда таково, что они своим магнитным полем «мешают» изменению магнитного потока, которое эти токи вызвало. Поэтому при помещении проводника во внешнее переменное поле возникают токи Фуко, которые ослабляют это поле в проводнике, экранируют его. Причем чем дальше от поверхности в глубь проводника, тем меньше становится суммарное магнитное поле. Соответственно и величины тока в проводнике с глубиной тоже убивает. Убывание произходит по столь быстром закону, что, начиная с некоторой глубины, поле и ток можно считать практическими равными нулю. Эту глубину называют скин-слоя.

От чего зависит толщина скин-слоя? С одной стороны, чем быстро изменяется магнитное поле, тем больше возникалося электродвижущая сила индукции и тем больше токи Фуко текут в проводнике. С другой стороны, сила тока зависит и от

удельного сопротивления проводника — в проводниках с меньшим удельным сопротивлением наводятся большие токи Фуко и магнитное поле экранируется сльнее. Поэтому при увеличении частоты изменения поля и при уменьшении сопротивления проводника толщина скин-слоя уменьшается.

Точный расчет показывает, что для меди, например, при частоте переменного переменного тока v=50 Гц толщина скин-слоя составляет 1 см. Это не сликом малая величина, поэтому в проводнике диаметром до несколько сантиметров переменный ток распределяется по всему сечению провода, а скин-эффект проявляется в полной мере в гораэдо более толстых проводах. В то же время в диапазоне средних радиоволн с частотой v~10⁷ Гц для толщины скин-слоя в меди имеет ≈10⁻³ см. Это уже достаточно малая величина. Быстро переменные токи такой частоты текст практические только по поверхности проводов. Можно проводники сделать вообщее полями, и это почти не скажется на их сопротивлении. Иногда для уменьшения потерь проводники в радиосхемах покрывают тонким слом серебра — токи текут только в этом слое, а серебро обладает меньшим удельным сопротивлением, чем меди.

Интересно, что в сверхпроводниках индукционные токи вообще не затухают (спротивление равно нулю), и поэтому они способны экранировать даже постоянное магнитное поле. В толщце сверхпроводника суммарная индукция внешнего магнитного поля и магнитного поля экранирующих токов равна нулю. Это явление называют эффектом Мейснера*).

Две загадки бета-распада

Как известно, естественный бета-радиоактивный распад состоит в том, что ядра atomов одного элемента самопроизвольно испускают бета-частицы, то есть электроны, и при этом

*) Об этом эффекте подробно расссказывается в статье Л. Г. Асламазова «Сверхпроводящие магниты», опубликованной в девятом номере «Кванта» за 1984 год.

31

превращаются в ядра другого элемента с atomным номером на единицу большим, но с прежней массой («Физика 10», § 103). Символические это превращение записьается так:

$$\frac{M}{Z} X \rightarrow \frac{M}{Z+1} Y + \frac{0}{-1} e.$$

Здесь $X$ — исходное ядро, $Y$ — продукт распада, $e$ — электрон (верхний индекс «0» показывает, что масса электрона по сравнению с atomной единицей массы очень мала).

Тщательно изучение бета-распада показало, что это явление tant в себе две загадки.

Загадка первая: «пропажа» энергии. Если ядро $X$ самопроизвольно превращается в ядро $Y$, то это значит, что энергия $W_X$ ядра $X$ больше, чем энергия $W_Y$ ядра $Y$. А энергия вылетает при этом бета-частицы должны быть равна разности энергии $W_X - W_Y$ (если пренебречь энергий отдачи).

Поскольку все исходные ядра $X$ одинаковы, равно как одинаковы и все получающие из них ядра $Y$, все вылетающие бета-частицы должны иметь одну и ту же энергию. Опытые же показывают, что энергия практических всех бета-частицы меньше, чем разность энергий $W_X - W_Y$. Точнее: β-частицы имеют различные энергии, и все они лежат в пределах от нуля до максимального значения, равного $W_X - W_Y$. Например, для бета-частицы, испускаемых ядрами $^{210}_{83}$Bi (перiod полураспада 5 дней), максимальное значение энергии около 1 МэВ, а средняя энергия, приходящая на долю одной частицы, меньше чем 0,4 МэВ.

Создавалось впечатьение, что бета-распад — это процесс, в котором, в нарушение закона сохранения энергии, энергия пропадает бесследно. Некоторые физики склонны были думать, что закон сохранения энергии, безусловно верный в мире максимических процессов, «необязательен» для некоторых процессов, связанных с элементарными частицами. К этой мысли (о возможности нарушения закона сохранения энергии) склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность нарушения закона сохранения энергии склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможность interruptа элемента, превращается в протон.

(Окончание см. на с. 34)

*) Сейчас существует и другая точка зрения — что у нейрино есть очень малая масса покоя. Однако пока этот факт не существует, оно не может быть доказано.

31