Бета-розпад, Авторська платформа
Бета-розпад,b-розпад, радіоактивний розпад атомного ядра, що супроводжується вильотом з ядра електрона або позитрону. Цей процес обумовлений мимовільним перетворенням одного з нуклонів ядра на нуклон іншого роду, а саме: перетворенням або нейтрона (n) на протон (p), або протона на нейтрон. У першому випадку з ядра вилітає електрон (е-) - Походить так званий b-розпад. У другий випадок з ядра вилітає позитрон (е+) — відбувається b+-распад. Вилітають за Б.-р. електрони та позитрони носять загальну назву бета-часток. Взаємні перетворення нуклонів супроводжуються появою ще однієї частки - нейтрино (n) у разі b + -розпаду або антинейтрино у разі b-розпаду. При b-розпаді число протонів (Z) у ядрі збільшується на одиницю, а число нейтронів зменшується на одиницю. Масове число ядраА,дорівнює загальному числу нуклонів в ядрі, не змінюється, і ядропродукт є ізобар вихідного ядра, що стоїть від нього по сусідству справа в періодичній системі елементів. Навпаки, при b + -розпаді число протонів зменшується на одиницю, а число нейтронів збільшується на одиницю і утворюється ізобар, що стоїть по сусідству зліва вихідного ядра. Символічно обидва процеси Б.-р. записуються в наступному вигляді:
де символ ядра, що складається з Z протонів і А—Z нейтронів.
Найпростішим прикладом (b-розпаду є перетворення вільного нейтрону в протон з випромінюванням електрона та антинейтрино (період напіврозпаду нейтрону » 13хв):
Більш складний приклад (b-розпаду - розпад важкого ізотопу водню - тритію, що складається з двох нейтронів (n) і одного протону (p):
Вочевидь, що це процес зводиться до b–распаду пов'язаного (ядерного) нейтрона. У цьому випадку b-радіоактивне ядро тритію перетворюється наядро наступного в періодичній таблиці елемента - ядро легкого ізотопу гелію.
Прикладом b+-розпаду може бути розпад ізотопу вуглецю 11С за такою схемою:
Цей процес можна представити як розпад пов'язаного протону
І тут ядро вуглецю перетворюється на ядро попереднього йому у періодичної таблиці елемента — бору.
Перетворення протона на нейтрон усередині ядра може відбуватися і в результаті захоплення протоном одного з електронів з електронної оболонки атома. Найчастіше відбувається захоплення електрона із найближчою до ядра К-оболонки, т.з. До-захоплення. При К-захопленні, як і при b + -розпаді, утворюється ізобар, що стоїть у періодичній системі елементів зліва від вихідного ядра. Рівняння К-захоплення має вигляд:
Після захоплення К-електрона на місце, що звільнилося, переходять електрони з більш високих оболонок; при цьому випромінюється фотон. Т. о., К-захоплення супроводжується випромінюванням характеристичного рентгенівського випромінювання. Прикладом К-захоплення може бути реакція, при якій ядро ізотопу берилію захоплює К-електрон і перетворюється на ядро літію:
Б.-р. спостерігається як у природно-радіоактивних, так і штучно-радіоактивних ізотопів. Для того щоб ядро було нестійке по відношенню до одного з типів b-перетворення (тобто могло випробувати Б.-р.), сума мас частинок у лівій частині рівняння реакції повинна бути більшою за суму мас продуктів перетворення. Тому за Б.-р. відбувається виділення енергії. Енергію Б.-р.Еb можна обчислити за цією різницею мас, користуючись співвідношеннямЕ=mc2,дез -швидкість світла у вакуумі. У разі b-розпаду
деМ -маси нейтральних атомів. У разі b+-розпаду нейтральний атом втрачає один із електронів у своїй оболонці, енергія Б.-р. дорівнює:
деme-маса електрона.
Енергія Б.-р. розподіляється між трьома частинками: електроном (або позитроном), антинейтрино (або нейтрино) та ядром; кожна з легких частинок може забирати практично будь-яку енергію від 0 до Eb, тобто їх енергетичні спектри є суцільними. Лише при К-захопленні нейтрино забирає завжди ту саму енергію.
Отже, при b-розпаді маса вихідного атома перевищує масу кінцевого атома, а при b + -розпаді це перевищення становить не менше двох електронних мас.
Дослідження Б.-р. ядер неодноразово ставило вчених перед несподіваними загадками. Після відкриття радіоактивності явище Б.-р. довгий час розглядалося як аргумент на користь наявності атомних ядрах електронів; це припущення виявилося у явному протиріччі з квантовою механікою (див.Ядро атомне). Потім мінливість енергії електронів, що вилітають при Б.-р., навіть породило у деяких фізиків зневіру в закон збереження енергії, тому що було відомо, що в цьому перетворенні беруть участь ядра, що знаходяться в станах з певною енергією. Максимальна енергія електронів, що вилітають з ядра, якраз дорівнює різниці енергій початкового і кінцевого ядер. Але в такому випадку було незрозуміло, куди зникає енергія, якщо електрони, що вилітають, несуть меншу енергію. Припущення німецького вченого У. Паулі про існування нової частки — нейтрино — врятувало як закон збереження енергії, а й інший найважливіший закон фізики — закон збереження моменту кількості руху. Оскількиспини(тобто власні моменти) нейтрону і протона дорівнюють 1/2, то для збереження спина у правій частині рівнянь Б.-р. може бути лише непарне число частинок зі спином 1/2. Зокрема, при b-розпаді вільного нейтрону n ® p + e – + n тільки поява антинейтрино виключаєпорушення закону збереження моменту кількості руху.
Б.-р. має місце у елементів всіх частин періодичної системи. Тенденція до b-перетворення виникає внаслідок наявності у ряду ізотопів надлишку нейтронів або протонів у порівнянні з тією кількістю, яка відповідає максимальній стійкості. Т. о., тенденція до b+-розпаду або К-захоплення характерна для нейтронодефіцитних ізотопів, а тенденція до b-розпаду - для нейтронадлишкових ізотопів. Відомо близько 1500 b-радіоактивних ізотопів всіх елементів періодичної системи, крім найважчих (Z ³ 102).
Енергія Б.-р. нині відомих ізотопів лежить у межах від
періоди напіврозпаду укладені в широкому інтервалі від 1,3 · 10-2сек(12N) до
21013 років (природний радіоактивний ізотоп 180W).
Надалі вивчення Б.-р. неодноразово призводило фізиків до краху старих уявлень. Було встановлено, що Б.-р. керують сили абсолютно нової природи. Незважаючи на тривалий період, що минув від часу відкриття Б.-р., природа взаємодії, що зумовлює Б.-р., досліджена далеко не повністю. Цю взаємодію назвали «слабкою», тому що вона в 1012 разів слабша за ядерну і в 109 разів слабша за електромагнітну (воно перевищує лише гравітаційну взаємодію; див.Слабкі взаємодії). Слабка взаємодія властива всімелементарним часткам(крім фотона). Минуло майже півстоліття, перш ніж фізики виявили, що у Б.-р. може порушуватися симетрія між «правим» та «лівим». Це незбереження просторової парності було приписано властивостям слабких взаємодій.
Вивчення Б.-р. мало ще одну важливу сторону. Час життя ядра щодо Б.-р. і форма спектру b-часток залежать від тих станів, в яких знаходяться всередині ядра вихідний нуклон та нуклон-продукт. Тому вивчення Б.-р., крім інформації про природу та властивості слабких взаємодій, значно поповнило уявлення про структуру атомних ядер.
Імовірність Б.-р. істотно залежить від того, наскільки близькі один до одного стану нуклонів у початковому та кінцевому ядрах. Якщо стан нуклону не змінюється (нуклон ніби залишається на колишньому місці), то ймовірність максимальна і відповідний перехід початкового стану в кінцевий називається дозволеним. Такі переходи притаманні Б.-р. легких ядер. Легкі ядра містять майже однакову кількість нейтронів та протонів. У більш важких ядер число нейтронів більше від протонів. Стани нуклонів різного ґатунку суттєво відмінні між собою. Це ускладнює Б.-р.; з'являються переходи, у яких Б.-р. відбувається з малою ймовірністю. Перехід утруднюється також через необхідність зміни спини ядра. Такі переходи називаються забороненими. Характер переходу позначається і формі енергетичного спектра b-частиц.
Експериментальне дослідження енергетичного розподілу електронів, що випускаються b-радіоактивними ядрами (бета-спектру), проводиться за допомогоюбета-спектрометрів. Приклади b-спектрів наведено нарис. 1тарис. 2.
Літ.:Альфа-, бета - і гамма-спектроскопія, під ред. К. Зігбана, пров. з англ., ст. 4, М., 1969, гол. 22-24; Експериментальна ядерна фізика, за ред. е. Сегре, пров. з англ., Т. 3, М., 1961.
Бета-спектр RaE (приклад b – спектр важкого елемента).
Бета-спектр нейтрону. На осі абсцис відкладено кінетич. енергія електронів Екев, на осі ординат — число електронів N (Е) у відносних одиницях (вертикальними рисками позначені межі помилок вимірювань електронів з даною енергією).