i
i
“348-Mankoc-naslov” — 2010/5/19 — 9:51 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 6 (1978/1979)
Številka 1
Strani 7–16
Norma Mankoč, priredba Marjan Hribar:
NEVTRINO
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/6/348-Mankoc-Hribar.pdf
c© 1978 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
FIZIKA___II
NEVTRI NO
Od časa do časa pre be re mo med č aso pis n imi novi c ami , da so fi-
z ik i odk r i l i no v os n ov ni del ec . To pomeni , d a s e j e pr ed ra z-
i s kova l c e postav i lo novo vprašanje o zgr ad bi sno v i . Ponavad i
vzpod budi od kritje nove raziska ve . Navada je tud i , da se take
r a z iskave ko nčajo z nov imi vpraša nji.
Tudi n e vt r ino j e ede n od osno vn i h d el c ev . Fi zi ki so ga s pou na-
l i že pred časom, pa še ve dno posta vl ja za sedaj ne re šljiv a
vprašanja . Za raz liko od de l cev, ki jih odkrivajo v sedanjem
času in nastajajo le pr i t rkih del cev z vel i ki mi energ ijami,
se r od i nev tr ino pri mn ogih pojav i h v at omskem sve t u, ki so
posta l i naš a vs a kdanjo st . Vel ik o se govor i in piš e o j ed r sk i h
re ak torj i h i n o rad ioakt i v ni h i zoto pi h . De be l a pl ast beto na in
kovine varuje okol ico reaktorja pred ne vt r oni , ki nastajajo
pri razcepu uranovih jeder, i n pred se va njem gama, ki ga odda -
j a jo radioak t iv ni pr eosta nki u ra novih jeder . Rea ktor pa j e t u -
di m o č an i zv i r nevtrin ov , ki br ez ovir z apu š čaj o s r edico r eak -
t or j a , predira jo Zemljo in se izgu be v ve s ol ju . Tudi s Sonca
nas neprestano obliva tok nevtr ino v . Nobene s l ed i ne pu ščajo v
s nov i, skozi ka t e r o potuje j o, za t o tudi ž i v ljenj u ni s o ne var ni .
Ka ko s o se r azi sko val ci pr epri ča li o obst oju nevtrin a, če s e
ta s pl oh ne men i za s nov i n v nj e j ne za pu š ča s le d i?
Na mise l o obstoju nevtrina j e nape lja lo r azi s kova l ce opazova -
nje r a z pada beta . Pri razpad u be ta odda j aj o a to mska j edr a e lek-
tro ne a l i poz it ron e . Raz pad z odda jo ele kt rona imenuj emo r a z-
pad 8 (b e t a mi nu s ) , ra z pad z odda jo pozi tr ona pa r azpa d 8+
7
( b e t a plus ) . Pri razpadu 8 se jed ro atoma spre meni v jedro
a t oma s osedn jega e lementa v per iod nem s istemu, ki ima a tomsko
števi lo za en o večje. Označimo j ed ro z a tomskim šte vi lom Z in
z masn im številom A simbolično kot J(Z,A). Spremembo pri r a z-
pad u 8 zapišemo t edaj ta kole:
J(Z,A) .... J(Z +l ,A) + e
Zap is označuje, da je v pre ostalem jedru enako število delcev,
ven dar se je za e no pove ča lo š t e vi l o protono v. Pomeni, da se
je za e no zmanjša lo š tevilo nevtrono v . Predstavljajmo si, da
se je pri spremembi eden od nevt rono v spre menil v proton . Sim-
bo lično bom o zapisa l i sp reme mbo pr i razpa du 8 takole:
n .... p + e
Po te j s hem i t udi prosti nevtro ni r az pad aj o v protone i n e lek -
trone . Raz po lo v ni čas je oko li 12 mi nut.
Pr i ra zp adu 8+ se jed ro a t oma s pr emen i v j ed r o atoma e le me nta,
ki ima at omsko š tev i lo za e no ma nj še. S imbo l ič no bomo za pisa l i:
J(Z,A) .... J ( Z- l , A) + e+
Pr ed stavl jam o si lahk o, da se je pri r azpadu ede n od pr ot on ov
sp remenil v nevtron :
p .... n + e+
Protoni (vod ikova jedra ) , ki niso vez an i z nevtron i v j edru,
ne r a z pad a j o.
S tem pa še nismo povedal i vse ga . Pr i vsakem novo odkritem po-
ja vu preve r jamo ve l j a vnos t prej šn j i h spoznanj . Ta ka spoznanja
s o med dru g im, das e pri tel esi h, ki s o loč ena od okoli ce, oh-
rani s ku pn i e lek trični naboj; da se energija t e l e s , ki so lo -
čena od oko lice, ne spreminja; da se gibalna količina teles,
ki so l o č e n a od okol ice, ne sp remin ja. Kaj po t e h s po zna nj i h
pričakujemo od delcev, ki s o vklj učeni v r az pa d be t a?
Pri obeh sp rememba h s e mor a ohra ni t i sk upni e lektri čni na boj .
Pr i razpad u 8 ugot ovi mo to le : nevtro n nima na boj a , proton ima
poz it iv ni os novni naboj, e lekt ro n ima ne ga t i vn i osnovn i na boj .
8
Skupni naboj po sprememb i je r e s en ak' nab oju pred s pr emembo ,
t o j e nič . Tud i pr i r azpadu s+ se s kupni naboj ne s preme ni .
Notranj a e ne r gi j a atomskega j ed r a po razpad u je manjša od no-
t ranj e e ne rg i j e j edra pred r az pad om. Na r aču n te razlike se je
r od i l e l ekt ro n, ki ima t udi kinetično ener gijo. Ke r s o vsa
i s t ovr s t na atomska jedra popolnoma enaka, prav tako pa so po-
polnoma en a ki vs i el ektr oni , p r i č ak u j e m o , da bodo ime li vsi
el e kt ro ni e nako k ine t ič no e ne r gi jo.
Vzemimo, da jedro pred ra zpadom mi ruje. Njegova g iba lna koli-
či na j e t ed a j ni Č. Ke r s e gi ba l na kol i č i na pri razp adu ne s pr e -
meni, se mo ra ta e le kt r on i n preostalo jedro gib ati v na sprot-
nih smereh. Prav ta ko s e gibata drsa l ca, ki na l ed u sprva mi-
ruj e t a, nato pa s e odr ineta d rug od d rug ega .
Sl . l a ka že p r i ča kovano i n izmerjeno k ineti čno en ergijo iz se-
vani h e lektronov . Večina elektronov i ma manjšo energ l JO od pri-
č ako v a ne. Pr i opazovan ju s l ed i j ede r in ele kt r onov so ugotovi -
li, d a le pri nez natn em št ev i l u r azpadov od letita "delca v pri-
ča k ov anih nasprotn ih s me r e h ( Sl . lb).
Ali tu pre ne ha ve l j a vnos t za konoval i pan a š e s pozna nje ni po -
polno ? V veri v dotlej vselej ve ljavne zakon e je Wo lfgang
Pau l i leta 1930 predp ostav i l, da se pr i r azpadu po leg e lektro -
na a l i pozitrona rodi š e neod kriti delec brez naboja in najbrž
brez 1astn e ma se. Imenova 1 ga je nevtr i no. Ta de l ec od nese
manjkajočo kinetično en erg ijo i n ma njkajočo giba lno ko ličino.
še le v l etu 1953 sta z ze lo za ht e vn i mi eksperimenti am er i ška
fizik a C. Cowa n in F. Reines dokaza la obstoj ne vtrina. Z na -
da ljnimi r azl sk avami s o odkr il i, da nevtrino, ki se rodi pri
razp adu S- , n i e nak nevtrinu , ki s e rodi pri r azpadu S+ . Prvi
delec so i me nova li a nt' nev trino , drugega pa nevtrino . Sl . 2
ponazarja, da s e delca razlikuj et a po smi s lu svojih vrti lnih
k o l ič i n glede na s me r gibanja . Pravimo, da ima anti nevt r ino
des nos uč no ( poz i t i vno), nevtrin o pa l evos u čno (ne gativno) vi-
ja čno s t . Z vsemi temi spoznanJ l lahko zapišemo spre memb i pri
raz padu be t a pr avilno takol e:
9
1a
' CO
~ energija
J(Z.AJ
1b •
J (Z +1.A J
-,
-,
'" ?".
"
/e _
e•
J ( Z + l .A J
e
_•- .
SI. 1: RazI ike med pričakovanj i in dejstvi so napoti le W. Paul ija, da je
predpostavil obstoj nevtrina.
Sl. 2: Nevtrino in antinevtrino se razI ikujeta po vijačnosti. Pravimo, da
ima antinevtrino pozitivro, nevtrino pa negativno vijačnost.
2
/'/,/
/ /
/ I
I I
I I
\ \
\ \
" \' --'-
•
s mer giba nja
/"/
/ /
/ /
/ I
I I
I I
\ \
\ \
\" \
,~
"-,
-,
\
\
\
I
I
)
/
---/
•
s m er g ib a nja
nevtrino a n tinevtri no
10
n -.- p + e + \! i n +p -.- n + e + \!
če s s imbolom \! označimo nevtrino, s simbolom v pa an tinevtri -
no .
Da bomo spozna l i, kako težko j e od kr it i nev t r i no , omeni mo pos-
kus, s katerim so hoteli določiti tok ne vtrinov, ki nastajajo
pri jedrskih reakcijah v sredici Sonca.
V sredic i Sonca s e v nizu jedrsk ih r e a kci j po št ir i j edr a vo -
dika spajajo v jedra he lija. Iz teh reakcij dobiva Sonce ener-
gijo, ki jo seva v vesolje. Pri rea kcijah nastajajo tudi nev-
trini . Veli ka večina nevtrinov uide iz Sončeve sredice, saj se
v po vpreč ju l e vsak stot isoč i us t av i v Soncu. Po r a ču n ih na j
bi prebada l o kvadratni meter Zemlj inega površja oko l i 100 mi -
l ijarld sončevih nevtrinov v sekundi . Natančna določ itev tega
toka naj bi pomagala podrobneje oceniti razmere v Sonc u . Slika
3 kaže, ka kšen j e bi l poskus . Poso do t et r a kl or e t il e na s pro-
stornino 450m3 so postav ili v zapuščen r ud ni k oko li ki lomet er
in pol pod zemljo. Tako globoko ne prodrejo niti kozmični ž ar >
ki ~i ti de lci, ki nastanejo pri t r ki h kozmičnih žark ov z mo le-
kulami in atom i v atmosferi in na površ ju. Ed i no nevtr in i pro -
dirajo v to globino .
Pri trki h nevtrinov z dovolj veliko en ergijo se l a hko jedro
klora z masn im šte v i lom 37 - C137*spremen i v jed ro argona z
masnim števi lom 37 - A37, ki je radioakt ivno. Reakcijo zapiše-
mo tako le:
Verjetnost, da se reakc ija zgodi, j e zel o maj hna . četudi je v
posodi oko l i 2.10 30 jeder C1 37, preteče med dvema reakcija v
povprečju okoli 50 ur.
Eksp er i me nt je traja l nekaj me s e cev . Na to so nasta l i argon ze-
l o skrbno iz loči li iz tetra kloretilena. Argon je ž la htni plin
in ne mor e ostati vezan na mestu kl or a . Za pus t i molekul o te -
traklor eti lena, ostane pa ujet v teko čini . Tekoč ino so zato
* v naravnem klor u ima v povpreč ju vsak četrti atom klora j ed ro z ma sn im
števi 10m 37. Preosta l i atomi imajo jedra z masnim števi lom 35. '
11
sonce
-
jašek
rudnika
CD
s od s tetrakloretilenom
SI. 3 : Odkrivanje sončnih nevtrinov. Do soda s tetrakloretilenom 1500 m
pod površjem Zemlje prodirajo le nevtrini.
12
skrbno prepihovali s helijem . Heliju so nato dodali še neaktiv-
ni argon in mešanico ohladili do temperature 77 K. Pri tej
temperaturi je argon trden in se je izločil iz plinastega he-
lija na stene posode. S števci so nato merili sevanje, ki na-
stane pri radioaktivnem razpadu nastalega argona A-37. Jedro
argona A-37 namreč prej ali slej ujame enega od atomskih elek-
tronov in se spremeni v jedro klora.* Elektronska lupina okoli
nastalega jedra klora je pri tem v vzbuj enem stanju in oddaja
rentgenske žarke, ki jih zaznamo s števci.
Pri tem velikem poskusu je nastalo vsega nekaj deset atomov
argona, precej manj,kot so pričakovali. Ali pomeni to, da je
tok Sončevih nevtrinov precej manjši od pričakovanega ali da
so raziskovalci pri eksperimentu kaj spregledali? Majhnega to-
ka nevtrinov ni mogoče razložiti na osnovi naših sedanjih
predstdvo dogajanjih v sredici Sonca. Da bi razrešili ta
vprašanja, bo najbrž treba še veliko dela.
Poskuse z nevtrini je mogoče delati tudi pri velikih pospeše-
valnikih, kjer dobimo curke z zelo velikimi energijami. S1. 4
kaže pospeševalnik v laboraturiju NAL v ZDA. V pospeševalniku
pospešijo protone do hitrosti, ki je enaka 999 tisočink svet-
lobne hitrosti. Curek protonov vpada na debelo kovinsko plo-
ščo, v kateri nastane ob trkih protonov z jedri veliko števi-
lo zelo kratkoživih delcev pionov in kaonov, ki potujejo na-
prej po nekaj 100 m dolgi cevi in že med potjo razpadajo, pri
čemer nastajajo tudi novi nevtrini. Konec cevi zapira okoli
ki l ome t e r debela plast zemlje, ki naj ustavi vse razen nevtri-
nov. Curek nevtrinov na koncu udarja v tarčo, ponavadi v teko-
či vodik. Raziskovalci fotografirajo sledi delcev, ki nastane-
jo pri reakcijah in jih kasneje razčlenjujejo (S1. 5). Spozna-
li so , da so reakcije vse pogostejše, čim večjo energijo imajo
nevtrini .
Kako si razlagamo, da snov tako malo moti gibanje nevtrina?
Oblika snovi in pojavi v snovi so odvisni od osnovnih grad-
nikov in od njihove medsebojne povezave. Gradniki vesolja so
* Tud i to je razpad, pr i katerem se rodi nevt rino, podobno kot pr i razpadu
e+.
13
linearni
pospešel'alnik
o
I
mehurčna
c e l ica ----~o
j ,,"
O
tarča
pl a s t
lkm
I
Sl . 4: Sk ica pos peševa lnikov in drugi h nap rav , ki j i h imajo v usta nov i NAL
v ZDA. Li nearn i pospeševa lnik i n pomožni krožni pos peše valni k rabi -
ta za to, da posp ešita pr o t one do 0 , 945 svetlobne hi t ros t i za vstop
v g l av n i pos peševa l ni obroč , ki j i h pospeši napre j do 0.999 svet -
l obne hit ros ti.
14
galaksije in zvezde - pove zu -
je jih težnostna a li gravita -
cijska sila. Vso razno liko
snov okoli nas in v veso lju
ses tav lja jo atomi, ki jih po-
vezujejo električne sile .
Ele ktrične s i le povezujejo t~
di e lektro ne i n jed ra znotraj
a t oma . Jedro sestavljajo pr o-
toni in nevtroni, ki j ih pov~
zuje močna jedrska sila . Moč­
na s i l a p o v zr oč a t udi nast a-
nek raz ličnih kratkož ivih de l
ce v pri trkih protonov i n nev
tronov z ve likimi energijami .
Nob ena i zmed naštetih si l ne
de luje na nevtrino. J e pa š e
š i b k a si l a . Ta j e mnogokrat
s labša od električne in močn~
deluj e pa med vsemi de l ci z
ne vtrinom vr ed . Ker je pres le
ba, ne povezuje de l cev v sta!
ne tvorbe, ampak povzroča le
meds e boj ne
Sl . 5 : Sledi delcev , k i so nastal i
ob reakci ji nevt rina s proto
nem v mehu rčni celici. Nev--
trino je pril ete l s spodnje
leve strani 51 ike in na svo -
j i po t in i pust i 1 s 1ed i . Pri
reakcij i so nastal i proton ,
pozitivn i p ion in negativni
mion. Sled i de l ce v so uk ri v-
l j ene , ker je v ce l ic i mag-
netno po l j e .
Si l a Razmer j e med silo in m o č n o sil o pri razdalji
10- 1 5 m med de lc ema*
p-n n- ve - v e - p p-p n-n p- v
M oč n a O O 1 1 O
Ele k tri č na O 1 0 - 2 10 - 2 O O
Si bka 10- 1 3 10- 1 3 10 - 1 3 1O- 1 3 10 - 13
Gra vita c ij ska O 10- 4 1 10 - 3 8 10 - 3 8 O
* Močna in š i bka si la sta si 1i kratkega doseg a i n ju delci pr i razdaljah,
ki so večje od 10- 15 m, ne čutijo . Elektr ična in gravitac i jska sila delu-
jeta med delci pri pol jubno velik i razda lj i.
15
spremembe. Tabela nam ka2e prSmerjavo nedsebojn ih  s i l  med ne- 
k a t e r i m i  d e l c i  p r i  razm4 ku, k i  j e  t o l i k g e n ,  da L u t i  j o  d e l c i  
vse na i i t e te  s i l e .  Vidimo, da j e  e l e k t r f t n a  s i l a  med d e l c f  r 
nabojem s t o k r a t  manjga od moEne s i l e  -in da j e  s i b k a  s i l a  dese t  
b i l i j o n k r a t  s lab3a od moEne. G r a v i t a c i j s k s  s i l a  pa j e  v p r i -  
m e r j a v i  s p r e j g n j i m i  zanemar l j i va .  Eim moCnejta j e  s i l a ,  tem 
veEja j e  v e r j e t n o s t  za r e a k c i j e  med d e l c i .  V id ino,  da spremem- 
be v snov i  v p r v i  v r s t i  u ravnavata  so tna  i n  e l e k t r i C n a  s i l a .  
Razumemo, z a k a j  n e v t r i n i  nemoteno p o t u j e j o  s k o z i  snov, s a j  
uravnava n j i h o v o  g i b a n j e  l e  S ibka s i l a .  
Po p r i spevku  Norme Mmrkod 
p r i r e d i l  M m j a n  httbar