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[править]
В ходе β--распада атомное ядро увеличивает свой заряд на одну единицу, и таким образом перемещается на одну позицию к концу периодической таблицы Менделеева:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{~^{59}_{26}Fe}\rightarrow\mathrm{~^{59}_{27}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.
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{~^{65}_{30}Zn}\rightarrow\mathrm{~^{65}_{29}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:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{~^{197}_{80}Hg} + e^- \rightarrow\mathrm{~^{197}_{79}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:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{{}^{137}_{55}Cs}\rightarrow\mathrm{{}^{137m}_{56}Ba}+ e^- + \bar{\nu}_e} (94,4 %, 30,17 лет)
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{{}^{137m}_{56}Ba}\rightarrow\mathrm{{}^{137}_{56}Ba}+ \gamma} (2,55 мин)
Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется.
Механизм[править]
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:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \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:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \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[править]
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:
- Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{{}^{100}_{42}Mo}\rightarrow\mathrm{{}^{100}_{44}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[править]
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[править]
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[править]
- Бета-распад — Большая советская энциклопедия.
- Кафедра ядерной физики физического факультета МГУ.