Бета-распад

Ядерная физика

Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция

Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · Составное ядро · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · Бета-распад · Кластерный распад Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход Излучения Ионизирующее излучение · Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление Захваты Электронный захват · Нейтронный захват (r-процесс · s-процесс) · Протонный захват (p-процесс · rp-процесс) · Нейтронизация Деление ядра Спонтанное деление Нуклеосинтез Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания Известные учёные Беккерель · Бете · Бор · Гейзенберг · Кюри М. · Кюри П. · Резерфорд · Содди · Уилер · Ферми

См. также: Портал:Физика

Бета-распад

Бета-распад — вид распада атомных ядер, сопровождающийся излучением бета-частиц. Различают 3 вида бета-распада (электронный, позитронный и захват электрона). Бета-распад — очень распространённый вид распада, ему подвержены все химические элементы, начиная от водорода (тритий) и до нобелия (No-261)

Виды бета-распада

В ходе β^--распада атомное ядро увеличивает свой заряд на одну единицу, и таким образом перемещается на одну позицию к концу периодической таблицы Менделеева:

$\mathrm {~_{26}^{59}Fe} \rightarrow \mathrm {~_{27}^{59}Co} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ (44,5 сут),

При этом происходит вылет электрона и электронного антинейтрино.

При β⁺-распаде возникает позитрон и электронное нейтрино, а заряд ядра понижается на единицу. Возникающий позитрон при вылете из ядра может аннигилировать с одним из электронов оболочки атома, это можно выявить по двум разлетающимся гамма-квантам с энергией по 511 кэВ.

$\mathrm {~_{30}^{65}Zn} \rightarrow \mathrm {~_{29}^{65}Cu} +e^{+}+{\nu }_{e}$ (12,7 ч)

К бета-распаду также относят электронный захват, процесс, в котором ядро захватывает электрон с собственной электронной оболочки. Более вероятен захват с K-оболочки, так как она находится ближе к ядру, тогда этот процесс называется K-захватом:

$\mathrm {~_{80}^{197}Hg} +e^{-}\rightarrow \mathrm {~_{79}^{197}Au} +{\nu }_{e}$ (64 ч)

При электронном захвате дочернее ядро оказывается в возбуждённом состоянии, это возбуждение снимается посредством испускания гамма-квантов и оже-электронов.

Иногда бета-активное ядро превращается в возбуждённый ядерный изомер другого элемента, который снимает возбуждение путём испускания гамма-кванта:

$\mathrm {{}_{55}^{137}Cs} \rightarrow \mathrm {{}_{56}^{137m}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ (94,4 %, 30,17 лет)

$\mathrm {{}_{56}^{137m}Ba} \rightarrow \mathrm {{}_{56}^{137}Ba} +\gamma$ (2,55 мин)

Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется.

Механизм

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино посредством тяжелого W-бозона

Бета-распад обусловлен слабым взаимодействием. При β^--распаде не участвует всё ядро элемента, например железа-59, а только один из его 33 нейтронов. Сам же нейтрон не является точечной частицей, в его состав входят два d-кварка и один u-кварк. На самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие только меняет аромат одного d-кварка:

${\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}$

Взаимодействие происходит с образованием виртуального W-бозона, который за примерно 10⁻²⁵ с распадается на электрон и антинейтрино:

${\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}.$

При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон с испусканием W⁺-бозона, немедленно распадающегося на позитрон и электронное нейтрино.

Двойной бета-распад

Существует также двойной бета-распад, при котором заряд ядра меняется не на одну, а на две единицы. Для того, чтобы наблюдался процесс двойного бета-распада, нужно, чтобы масса материнского ядра была больше массы ядра, образующегося в результате распада:

$\mathrm {{}_{42}^{100}Mo} \rightarrow \mathrm {{}_{44}^{100}Ru} +2e^{-}+2{\overline {\nu }}_{e}$ (8,55·10¹⁸ лет)

Двойной бета распад — очень редкое событие. Он может наблюдаться лишь у тех ядер, которые не могут распасться путем двух последовательных бета-распадов из-за закона сохранения энергии и/или закона сохранения момента импульса. У всех известных изотопов, испытывающих его, период полураспада превышает 7·10¹⁸ лет, а изотоп теллур-128 имеет период полураспада 2,2·10²⁴ лет (в 1,6·10¹⁴ раз превосходит возраст Вселенной).

Большинство наблюдений двойного бета-распада относятся к типу с повышением заряда ядра (β^-β^-). Для криптона-78, ксенона-124, бария-130 обнаружен двойной электронный захват, для первых 2-х изотопов — методом прямого наблюдения за образцом изотопа, для последнего — геохимическим методом, по накоплению продукта распада в кристаллической решётке древнего минерала, содержащего барий (период полураспада (2,2±0,5)·10²¹ лет).

Двойной β-распад может происходить не только на основное, но и в метастабильные состояния дочернего ядра. В этом случае он сопровождается излучением нескольких гамма-квантов и/или конверсионных электронов.

Безнейтринный двойной бета-распад

Фейнмановская диаграмма безнейтринного распада

Если нейтрино является майорановской частицей (то есть равно своей античастице), то возможен безнейтринный двойной бета-распад. В этом случае происходит процесс несохранения лептонного числа (ΔL = ±2), запрещённый Стандартной моделью. Несмотря на многочисленные исследования, безнейтринный распад никогда не наблюдался. Если подобный процесс имеет место в природе, то период полураспада по этому каналу может превышать 10²⁵ лет.

Опасность бета-излучения

Опасность бета-излучения зависит от энергии бета-частиц, зависящей от распадающегося изотопа; эта энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (рений-187) до десятков МэВ (для неустойчивых ядер, далёких от линии бета-стабильности).

Бета-частицы (электроны) при вылете из ядра имеют скорость близкой к световой. Они способны ионизировать ткани, вызывать повреждения макромолекул. Воздействие бета-излучения (в зависимости от мощности дозы и времени) может приводить к лучевой болезни, злокачественным опухолям и мутациям в генетическом аппарате. Бета-частицы с энергией до 1 МэВ полностью задерживаются листом алюминия в пару миллиметров или другого металла, несколькими метрами воздуха.

Следует отметить, что бета-распад часто сопровождается гамма-излучением, которое имеет значительно большую проникающую способность.

Источники

• Бета-распад — Большая советская энциклопедия.
• Кафедра ядерной физики физического факультета МГУ.