Бета-распад
Значение слова Бета-распад по Ефремовой:
Бета-распад - Радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся испусканием электрона и антинейтрино либо позитрона и нейтрино.
Бета-распад в Энциклопедическом словаре:
Бета-распад - (b-распад) - самопроизвольное превращение ядер,сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтриноили позитрона и нейтрино. Известны типы бета-распада: электронный распад(превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) иэлектронный захват. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличиваетсяна 1, при позитронном - уменьшается на 1; массовое число не меняется (см.Радиоактивность).
Определение слова «Бета-распад» по БСЭ:
Бета-распад β-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. В первом случае из ядра вылетает электрон (e−) - происходит так называемый β−-распад.
Во втором случае из ядра вылетает позитрон (e+) - происходит β+-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино (ν̃) в случае β−-распада. При β−-распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра A, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядро-продукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β+-распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:
ZAЯ → Z+1AЯ + e− + ν̃,
ZAЯ → Z−1AЯ + e+ + ν,
где ZAЯ - символ ядра, состоящего из Z протонов и A−Z нейтронов.
Простейшим примером (β−-распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈ 13 мин):
Более
сложный пример (β
−-распада - распад тяжёлого изотопа водорода - трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):
3
1
| H | β− —→
| 3
2 | He | + e− + ν̃,
|
1p
2n
| β− —→
| 2p
1n | + e− + ν̃.
|
Очевидно, что этот процесс сводится к β
−-распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента - ядро лёгкого изотопа гелия і
2Не.
Примером β
+-распада
может служить распад изотопа углерода
11C по
следующей схеме:
11
6
| C | β+ —→
| 11
5 | B | + e+ + ν,
|
6p
5n
| β+ —→
| 5p
6n | + e+ + ν.
|
Этот процесс
можно представить как распад связанного протона
В этом случае ядро углерода превращается в ядро предшествующего ему в периодической таблице элемента - бора.
Превращение протона в нейтрон
внутри ядра может
происходить и в
результате захвата протоном одного из электронов с
электронной оболочки атома. Чаще
всего происходит
захват электрона e
−K с ближайшей к ядру К-оболочки, т. н.
К-захват. При К-захвате, как и при β
+-распаде, образуется изобар, стоящий в периодической системе элементов слева от исходного ядра.
Уравнение К-захвата имеет вид:
ZAЯ + e
− →
Z−1AЯ + ν
После захвата К-электрона на освободившееся
место переходят электроны с
более высоких оболочек; при этом испускается
фотон. Т. о., К-захват сопровождается испусканием характеристического рентгеновского
излучения. Примером К-захвата может служить
реакция, при которой ядро изотопа
бериллия захватывает К-электрон и превращается в ядро лития:
e
−K +
47Be →
37Li + ν
Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того
чтобы ядро было
неустойчиво по
отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло
испытать Б.-р.),
сумма масс частиц в левой части
уравнения реакции должна быть
больше суммы масс продуктов превращения.
Поэтому при Б.-р. происходит
выделение энергии.
Энергию Б.-р. Е
β можно
вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mcІ, где c -
скорость света в вакууме. В случае β
−-распада
E
β− = (M
Z − M
Z+1)cІ,
где M -
массы нейтральных атомов. В случае β
+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке,
энергия Б.-р. равна:
E
β+ = (M
Z − M
Z−1 − 2m
e)cІ,
где m
e -
масса электрона.
Энергия Б.-р. распределяется
между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром;
каждая из лёгких частиц может
уносить практически любую энергию от 0 до E
β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит
всегда одну и ту же энергию.
Итак, при β
−-распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β
+-распаде это
превышение составляет не
менее двух электронных масс.
Исследование Б.-р. ядер
неоднократно ставило учёных
перед неожиданными загадками.
После открытия радиоактивности явление Б.-р.
долгое время рассматривалось как
аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это
предположение оказалось в явном
противоречии с квантовой
механикой (см.
Ядро атомное).
Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., 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. Поскольку Спины (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны Ѕ, то для сохранения
спина в правой части уравнений Б.-р. может
находиться лишь нечётное число частиц со спином Ѕ.
В
частности, при β
−-распаде свободного нейтрона n → p + e
− + ν только
появление антинейтрино исключает
нарушение закона сохранения момента количества движения.
Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает
вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по
сравнению с тем количеством, которое отвечает
максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β
+-распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β
−-распаду - для нейтроноизбыточных изотопов.
Известно
около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы,
кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).
Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от E
β− = 0,0186 Мэв [
3H
β−→
3He]
до E
β+ = 16,6 Мэв [
12N
β+→
12C];
периоды полураспада заключены в широком
интервале от 1,3 · 10
−2 сек (
12N) до ∼ 2 10
13 лет (природный радиоактивный
изотоп 180W).
В дальнейшем
изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к
крушению старых
представлений. Было
установлено, что Б.-р. управляют силы
совершенно новой природы. Несмотря на
длительный период,
прошедший со времени открытия Б.-р.,
природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована
далеко не
полностью. Это взаимодействие назвали
«слабым», т.к. оно в 10
12 раз слабее ядерного и в 10
9 раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (кроме фотона). Прошло
почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может
нарушаться симметрия между «правым» и «левым».
Это несохранение
пространственной чётности было
приписано свойствам слабых взаимодействий.
Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону.
Время жизни ядра относительно Б.-р. и
форма спектра β-частиц зависят от тех
состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р.,
помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий,
значительно пополнило представления о
структуре атомных ядер.
Вероятность Б.-р.
существенно зависит от того,
насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то
вероятность максимальна и соответствующий
переход начального состояния в
конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер.
Лёгкие ядра содержат почти
одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше
числа протонов.
Состояния нуклонов
разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью.
Переход затрудняется
также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными.
Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц.
Экспериментальное
исследование энергетического
распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометров. Примеры β-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2.
Лит.: Альфа-, бета- и
гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22-24; Экспериментальная ядерная
физика, под ред. Э.
Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.
Е. М. Лейкин.
Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв, на оси ординат - число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены
пределы ошибок
измерений электронов с данной энергиией).
Бета-спектр RaE (пример β -спектра тяжёлого элемента).
Бета-л.учи
Бета-распад
Бета-Спектрометр