Aktuální číslo:

2019/9

Téma měsíce:

Hejno

O boření domečků

 |  3. 6. 2019
 |  Vesmír 98, 325, 2019/6

Ad Vesmír 98, 193, 2019/4

Pavel Balek položil zajímavou otázku týkající se beta-rozpadu neutronu, na niž odpověděl Vladimír Wagner. Rád bych odpověď doplnil a upřesnil. Otázka pana Baleka zněla: „Jak to přijde, že slabá síla může ‚rozbořit domeček‘ silné síle? Když je silná síla milionkrát silnější, proč neubrání svěřené neutrony v jádře před rozpadem beta?

Podstatu procesu beta-rozpadu vystihl Vladimír Wagner správně: „nejde o rozpad celku složeného z komponent na dané komponenty“ (Vladimír Wagner hovoří o kvarcích, ale úvahu lze vést i na úrovni nukleonů). Produkty rozpadu neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino nebyly před rozpadem uvnitř neutronu, to ani není možné, protože elektron ani neutrino nelze lokalizovat na vzdálenosti odpovídající poloměru neutronu, ale v okamžiku rozpadu vznikly v důsledku působení slabých sil. Tento akt vzniku jedněch částic z jiných je projevem kvantové povahy mikrosvěta.

Rozpad neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino je ovšem možný jen proto, že hmotnost neutronu je o chlup, cca 0,8 promile, větší než součet hmotností protonu a elektronu (hmotnost elektronového antineutrina můžeme zanedbat). Kdyby byla hmotnost elektronu třikrát větší, anebo kdyby hmotnost neutronu byla o jedno promile menší, tento rozpad by nemohl probíhat, protože by to zákon zachování energie zakazoval.

Tak tomu je například v případě deuteronu, jádra deuteria, složeného z protonu a neutronu. Naivně bychom očekávali, že deuteron se rozpadá na dva protony, elektron a elektronové antineutrino, tedy tak, že ke koncovému stavu rozpadu neutronu přidáme proton, který je v deuteronu „navíc“ oproti neutronu. Tento rozpad ovšem neprobíhá, deuteron je stabilní jako proton. Důvod je zase v zákonu zachování energie: součet dvojnásobku hmotnosti protonu a hmotnosti elektronu je větší než hmotnost deuteronu, protože ta není součtem hmotností protonu a neutronu, ale je o tzv. vazbovou energii menší. Tato vazbová energie je důsledkem působení silných sil, takže zde máme příklad jádra, v němž silná síla skutečně „ubránila svěřené neutrony v jádře před rozpadem beta“. Vazbová energie nukleonů v jádrech znamená, že protony a neutrony se v nich nechovají přesně jako volné protony a neutrony, ale jsou tzv. virtuální. Zhruba řečeno si můžeme představit, že jejich hmotnosti jsou o trochu menší, než pokud jsou volné. V případě deuteronu o tolik, že rozpad „virtuálního“ neutronu nemůže probíhat.

Ale stačí k deuteronu přidat další neutron a máme jádro tritia, které se s poločasem rozpadu 12 let rozpadá na jádro hélia 3 (dva protony a jeden neutron) a zase elektron a elektronové antineutrino. V tomto případě je vazbová energie taková, že rozpad probíhat může, byť je hmotnost tritia jen o asi 0,6 promile větší než součet hmotností jádra hélia 3 a elektronu. V tomto případě tedy silná síla (virtuální) neutron v jádře tritia před beta-rozpadem neubrání.

Pan Balek ovšem svůj dotaz doplnil i poznámkou: „Někde jsem zachytil tvrzení, že na škále 10–18 m je slabá síla silnější než silná. To by sice výše popsanou otázku vysvětlovalo, jenže toto tvrzení je zcela ojedinělé a nikde jsem nenašel jeho potvrzení z jiných zdrojů.

Zde se v odpovědi Vladimír Wagner mýlí a pan Balek zachytil v zásadě správné tvrzení. Pokud nás zajímá chování sil na vzdálenostech 10–18 m, tj. miliardtiny miliardtiny metru, nejsou relevantními objekty nukleony, ale kvarky, z nichž jsou nukleony a další podobné částice složeny. Podle dnešních představ se chovají elektromagnetické, slabé a silné síly působící mezi leptony (tj. částicemi, jako jsou elektron a elektronové neutrino) a kvarky na velmi malých vzdálenostech podobně, jsou nepřímo úměrné čtverci vzdálenosti mezi nimi, přičemž v čitateli jsou čísla zhruba stejná. Na vzdálenosti 10–18 m slabé síly prudce změní chování a s rostoucí vzdáleností se velmi rychle stanou oproti elektromagnetickým a silným silám výrazně (exponenciálně) potlačené. O takových silách říkáme, že mají konečný dosah. Pro popis beta-rozpadu neutronu a jader jsou ovšem relevantní vzdálenosti dané jejich rozměry, tj. zhruba tisíckrát větší, kde se jeví „slabé“ síly vůči elektromagnetickým a silným silám skutečně velmi slabé.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Jaderná fyzika, Fyzika
RUBRIKA: Úvodník

O autorovi

Jiří Chýla

Prof. RNDr. Jiří Chýla, CSc., (*1948) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá problematikou silných interakcí a strukturou hadronů. Spolupracuje s experimenty v DESY v Hamburku a v CERN v Ženevě. Je poradcem předsedy AV ČR, prof. Drahoše.

Doporučujeme

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Milan Krbálek  |  2. 9. 2019
„Nejednou nás chybný krok ponořil až ke stehnům do tmavého rosolovitého bahna, které se na metry kolem nás pod našimi kroky vlnilo. Jeho přilnavá...
Sportující faraon

Sportující faraon

Břetislav Vachala  |  2. 9. 2019
Schopný král byl zárukou, že nezvítězí síly zla a chaosu a „boží země“ Egypt bude trvale vzkvétat a bude se dařit jejímu lidu. To potvrzoval...
První obraz horizontu černé díry

První obraz horizontu černé díry

Michal Bursa  |  2. 9. 2019
Když jsme spolu s Vladimírem Karasem v roce 2010 psali o vyhlídkách radioastronomie na přímá pozorování černých děr (Vesmír 89, 226, 2010/4), byla...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné