Hai bí ẩn về sự phân rã beta

30

Hiệu ứng da

Từ môn vật lý ở trường (“Vật lý 9”, § 94), người ta biết rằng do hiện tượng cảm ứng điện từ ở bất kỳ dây dẫn nào dưới tác dụng của từ trường thay đổi nên được gọi là dòng điện xoáy (Dòng điện Foucault). Chúng được gây ra bởi một điện trường cảm ứng xảy ra khi từ trường thay đổi. Các đường dây của điện trường cảm ứng luôn đóng nên dòng điện Foucault cũng đóng (dòng xoáy). Vì dây dẫn thường có điện trở nên năng lượng của dòng điện Foucault biến thành nhiệt (dây dẫn nóng lên) và dòng điện tự giảm đi.

Hóa ra, dòng điện Foucault luân phiên nhanh chóng không thấm sâu vào dây dẫn và văn bản thực tế chỉ nằm ở lớp bề mặt của nó. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng da (từ tiếng Anh skin - skin). Nó phải được tính đến khi sử dụng dòng điện xoay chiều (và trường) trong công nghệ.

Nguyên nhân của hiệu ứng da có thể được hiểu một cách định tính bằng cách sử dụng quy tắc Lenz về cảm ứng điện từ. Theo quy luật này, chiều của dòng điện cảm ứng luôn sao cho chúng “can thiệp” vào từ trường của chúng sự thay đổi từ thông mà các dòng điện này gây ra. Do đó, khi một dây dẫn được đặt trong một trường xoay chiều bên ngoài, dòng điện Foucault sẽ xuất hiện, làm suy yếu trường này trong dây dẫn và che chắn nó. Hơn nữa, càng đi sâu vào dây dẫn từ bề mặt thì tổng từ trường càng nhỏ. Theo đó, cường độ dòng điện trong dây dẫn ở độ sâu cũng gây chết người. Sự giảm xảy ra theo một quy luật nhanh đến mức, bắt đầu từ một độ sâu nhất định, trường và dòng điện thực tế có thể được coi là bằng không. Độ sâu này được gọi là lớp da.

Điều gì quyết định độ dày của lớp da? Một mặt, từ trường thay đổi càng nhanh thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn và dòng điện Foucault chạy trong dây dẫn càng nhiều. Mặt khác cường độ dòng điện còn phụ thuộc vào

điện trở suất của dây dẫn - trong dây dẫn có điện trở suất thấp hơn, dòng điện Foucault lớn hơn được tạo ra và từ trường ít được che chắn hơn. Do đó, khi tần số của trường thay đổi tăng và điện trở dây dẫn giảm, độ dày của lớp da sẽ giảm.

Một tính toán chính xác cho thấy rằng đối với đồng, chẳng hạn, ở tần số dòng điện xoay chiều v = 50 Hz, độ dày của lớp da là 1 cm. Đây không phải là một giá trị quá nhỏ, do đó, trong một dây dẫn có đường kính lên đến vài cm, dòng điện xoay chiều được phân bổ trên toàn bộ mặt cắt ngang của dây và hiệu ứng bề mặt được thể hiện đầy đủ ở những dây dày hơn nhiều. Đồng thời, trong phạm vi sóng vô tuyến trung bình có tần số v~10⁷ Hz, độ dày lớp vỏ đồng là ≈10⁻³ cm. Đây đã là một giá trị khá nhỏ. Dòng điện xoay chiều nhanh có tần số như vậy chỉ thực tế trên bề mặt của dây dẫn. Bạn có thể tạo ra các trường hoàn toàn cho dây dẫn và điều này hầu như không ảnh hưởng đến điện trở của chúng. Đôi khi, để giảm tổn thất, dây dẫn trong mạch vô tuyến được phủ một lớp bạc mỏng - dòng điện chỉ chạy trong lớp này và bạc có điện trở suất nhỏ hơn đồng.

Điều thú vị là, trong chất siêu dẫn, dòng điện cảm ứng hoàn toàn không suy giảm (điện trở bằng 0) và do đó chúng có thể che chắn ngay cả khi có từ trường không đổi. Trong độ dày của chất siêu dẫn, tổng cảm ứng của từ trường ngoài và từ trường của dòng điện sàng lọc bằng không. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner*).

Hai bí ẩn về sự phân rã beta

Như đã biết, sự phân rã phóng xạ beta tự nhiên bao gồm thực tế là hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố tự phát ra các hạt beta, nghĩa là các electron, đồng thời

*) Hiệu ứng này được thảo luận chi tiết trong bài báo “Nam châm siêu dẫn” của L. G. Aslamazov, xuất bản trên số thứ chín «Kvant» năm 1984.

31

biến thành hạt nhân của một nguyên tố khác có số nguyên tử lớn hơn một đơn vị nhưng có cùng khối lượng (“Vật lý 10”, § 103). Một cách tượng trưng, ​​sự biến đổi này được viết như sau:

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

Ở đây $X$ là hạt nhân ban đầu, $Y$ là sản phẩm phân rã, $e$ là electron (chỉ số trên “0” cho thấy khối lượng của electron rất nhỏ so với đơn vị khối lượng nguyên tử).

Một nghiên cứu cẩn thận về phân rã beta đã chỉ ra rằng hiện tượng này chứa đựng hai điều bí ẩn.

Câu đố thứ nhất: “mất năng lượng”. Nếu hạt nhân $X$ tự phát biến thành hạt nhân $Y$ thì điều này có nghĩa là năng lượng $W_X$ của hạt nhân $X$ lớn hơn năng lượng $W_Y$ của hạt nhân $Y$. Và năng lượng phát ra từ các hạt beta phải bằng hiệu năng lượng $W_X - W_Y$ (nếu chúng ta bỏ qua năng lượng giật lại).

Vì tất cả các hạt nhân $X$ ban đầu đều giống nhau, cũng như tất cả các hạt nhân $Y$ nhận từ chúng đều giống nhau nên tất cả các hạt beta phát ra phải có cùng năng lượng. Các thí nghiệm cho thấy năng lượng của hầu hết các hạt beta đều nhỏ hơn mức chênh lệch năng lượng $W_X - W_Y$. Chính xác hơn: các hạt β có năng lượng khác nhau và chúng đều nằm trong khoảng từ 0 đến giá trị tối đa là $W_X - W_Y$. Ví dụ: đối với các hạt beta phát ra từ hạt nhân $^{210}_{83}$Bi (chu kỳ bán rã 5 ngày), giá trị năng lượng tối đa là khoảng 1 MeV và năng lượng trung bình trên mỗi hạt nhỏ hơn 0,4 MeV.

Người ta tạo ra ấn tượng rằng phân rã beta là một quá trình trong đó vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng biến mất không dấu vết. Một số nhà vật lý có xu hướng nghĩ rằng định luật bảo toàn năng lượng, chắc chắn đúng trong thế giới của các quá trình cực đại, là “không cần thiết” đối với một số quá trình liên quan đến các hạt cơ bản. Ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng nghiêng về ý tưởng này (về khả năng vi phạm định luật bảo toàn năng lượng). Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Những ý kiến ​​khác cũng bày tỏ rằng ngay cả một nhà vật lý như Niels Bohr cũng có xu hướng tin rằng định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm. Các ý kiến ​​khác lại cho rằng khả năng làm gián đoạn nguyên tố này sẽ biến thành proton.

(Cuối cùng xem trang 34)

*) Bây giờ có một quan điểm khác - tế bào thần kinh có khối lượng nghỉ rất nhỏ. Tuy nhiên, cho đến khi thực tế này tồn tại, nó không thể được chứng minh.

31