Бета-распад. 
Бета-распад

Бета-излучение — поток в-частиц, испускаемых атомными ядрами при в-распаде радиоактивных изотопов. в-распад — радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. Вылетающие при в-распаде электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы — нейтрино (n) в случае в±распада или антинейтрино в случае в—распада. радиоактивный распад атомный ядро частица Масса в-частиц в абсолютном выражении равна 9,1−10 28 г. в-частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия в-частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом в-распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, в-частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия в-частиц может колебаться от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015−0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3−13,5 МэВ (жесткое излучение).

Так как в-частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, в-частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути в-частиц очень трудно — этот путь слишком извилистый. Пробег в-частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии, также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать 25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.

Периоды полураспада заключены в широком интервале: от 1,3*10−2 сек (12N) до 2*1013 лет (природный радиоактивный изотоп 180W).

в-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к в-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Таким образом, тенденция к в±распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к в—распаду — для нейтроноизбыточных изотопов.

Если изотоп имеет меньшее массовое число, чем указано в периодической системе Менделеева, то велика вероятность того, что он будет в±активным, т. е. протон внутри такого ядра будет стремиться превратиться в нейтрон. Если масса изотопа больше, чем указано в периодической системе Менделеева, то возрастает вероятность того, что он будет в—активным, т. е. в таком ядре нейтрон будет стремиться превратиться в протон. В обоих случаях ядро становится неустойчивым, и его распад ведёт к восстановлению соотношения протонов и нейтронов.

Природа в-распада

Исследование в-распада ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление в-распада долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой. Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при в-распаде, даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы — нейтрино — спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики — закон сохранения момента количества движения.

Источник

Взаимные превращения нуклонов в легких и тяжелых ядрах при участии слабых взаимодействий.

Энергия

Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов в-превращения, сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при враспаде происходит выделение энергии.

Энергия в — распада распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Три вида распадов. Термодинамические условия их протекания

Бета-распад может быть трех видов:

а) электронный в—распад характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов. Этот распад в основном характерен для тяжелых радиоактивных изотопов. Электронному в—распаду подвергается около 46% всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино. Массовое число ядра, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов.

При испускании в—частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энергии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде г-квантов.

б) позитронный в±распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11% радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Д. И. Менделеева (Z<45). При позитронном в — распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и, соответственно, атомный номер уменьшаются на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два г — кванта с энергией, эквивалентной массе частиц. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два г-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение — аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую — г-фотоны.

в) электронный К-захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или, реже, в 100 раз — из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном превращаясь в нейтрон. Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L-уровне захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетических уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д. И. Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45 — 105). Только три естественных элемента претерпевают К-захват: калий-40, лантан-139, лютеций-176 .

Некоторые ядра могут распадаться двумя или тремя способами: путем, а и в-распада и К-захвата.Калий-40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду 88% и К-захвату — 12%. Медь-64 превращается в никель (позитронный распад — 19%, К-захват — 42%; (электронный распад — 39%).

Проникающая и ионизационная способность

Ионизирующая способность в — частиц значительно ниже, чем б — частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость — больше ионизация. На 1 см пути пробега в воздухе в — частица образует 50−100 пар ионов (1000−25 000 пар ионов на всем пути в воздухе). в — частицы больших энергий, пролетая мимо ядра слишком быстро, не успевают вызвать такой же сильный ионизирующий эффект, как медленные в — частицы. При потере энергии электрон захватывается либо положительным ионом с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отрицательного иона.

Проникающая способность в воздухе до 1 м, в биологических тканях до 1 см.

Бета-спектрометр — прибор, служащий для анализа бета-спектров (см. Бета-распад). Б.-с. применяют также для исследования энергетического спектра г-лучей по создаваемым ими в веществе вторичным электронам (см. Гамма-спектрометр).

Основными характеристиками Б.-с. являются светосила и разрешающая способность. Под светосилой понимают отношение числа электронов (или позитронов), которое используется для анализа, к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила Б.-с. зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов. Разрешающей способностью Б.-с. называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором. Разрешающая способность прецизионных Б.-с. достигает 0,01%. Как правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

Различают Б.-с., измеряющие энергию электронов по их воздействию на вещество, и Б.-с., действие которых основано на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную энергию. К приборам первого типа относятся Б.-с., основанные на ионизации, возникающей в веществе при торможении электронов (см. Сцинтилляционный спектрометр, Ионизационная камера); приборы этого типа обладают большой светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью, большей чем несколько процентов (или даже несколько десятков процентов). К приборам второго типа принадлежат Б.-с., в которых используются магнитные или электрические (для медленных электронов) поля. Обычно под Б.-с. понимают приборы второго типа.