Бета-розпад
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Бета-розпад

Бета-розпад, b-розпад, радіоактивний розпад атомного ядра, що супроводиться вильотом з ядра електрона або позитрона. Цей процес обумовлений мимовільним перетворенням одного з нуклонів ядра на нуклон іншого роду, а саме: перетворенням або нейтрона (n) в протон (p), або протона на нейтрон. У першому випадку з ядра вилітає електрон (е - ) — відбувається так званий b - -распад. У другому випадку з ядра вилітає позитрон (е + ) — відбувається b + -распад. Що вилітають при Б.-р. електрони і позитрони носять загальну назву бета-часток. Взаємні перетворення нуклонів супроводяться появою ще однієї частки — нейтрино ( n ) в разі b+-распада або антинейтрино  в разі b - -распада. При b - -распаде число протонів (Z) в ядрі збільшується на одиницю, а число нейтронів зменшується на одиницю. Масове число ядра А, рівне загальному числу нуклонів в ядрі, не міняється, і ядропродукт є ізобар вихідного ядра, що стоїть від нього по сусідству справа в періодичній системі елементів. Навпаки, при b + -распаде число протонів зменшується на одиницю, а число нейтронів збільшується на одиницю і утворюється ізобар, що стоїть по сусідству зліва від вихідного ядра. Символічно обидва процеси Б.-р. записуються в наступному вигляді:

загрузка...

де  — символ ядра, що складається з Z протонів і А, — Z нейтронів.

  Простим прикладом (b - -распада є перетворення вільного нейтрона на протон з випусканням електрона і антинейтрино (період напіврозпаду нейтрона » 13 мін ):

складніший приклад (b - -распада — розпад важкого ізотопу водню — тритію, що складається з двох нейтронів (n) і одного протона (p):

Очевідно, що цей процес зводиться до b - -распаду зв'язаного (ядерного) нейтрона. В цьому випадку b-радіоактівне ядро тритію перетворюється на ядро наступного в періодичній таблиці елементу — ядро легкого ізотопу гелію 3 2 Не.

  Прикладом b + -распада може служити розпад ізотопу вуглецю 11 Із за наступною схемою:

Цей процес можна представити як розпад зв'язаного протона

В цьому випадку ядро вуглецю перетворюється на ядро передування йому в періодичній таблиці елементу — бору.

  Перетворення протона в нейтрон усередині ядра може відбуватися і в результаті захвату протоном одного з електронів з електронної оболонки атома. Найчастіше відбувається захоплення електрона  з найближчої до ядра до-оболонки, т.з. до-захват. При до-захваті, як і при b + -распаде, утворюється ізобар, що стоїть в періодичній системі елементів зліва від вихідного ядра. Рівняння до-захвату має вигляд:

Після захвату К-електрона на місце, що звільнилося, переходять електрони з вищих оболонок; при цьому випускається фотон. Т. о., до-захват супроводиться випусканням характеристичного рентгенівського випромінювання. Прикладом до-захвату може служити реакція, при якій ядро ізотопу берилія захоплює К-електрон і перетворюється на ядро літію:

  Би.-р. спостерігається як в природно-радіоактивних, так і в штучно-радіоактивних ізотопів. Для того, щоб ядро було нестійке по відношенню до одного з типів b-перетворення (тобто могло випробувати Б.-р.), сума мас часток в лівій частині рівняння реакції має бути більше суми мас продуктів перетворення. Тому при Б.-р. відбувається виділення енергії. Енергію Б.-р. Е b можна обчислити по цій різниці мас, користуючись співвідношенням Е = mc2, де з — швидкість світла у вакуумі. У випадку b-розпаду

де М-код — маси нейтральних атомів. В разі b+-распада нейтральний атом втрачає один з електронів в своїй оболонці, енергія Б.-р. рівна:

де me — маса електрона.

  Енергія Б.-р. розподіляється між трьома частками: електроном (або позитроном), антинейтрино (або нейтрино) і ядром; кожна з легких часток може відносити практично будь-яку енергію від 0 до E b тобто їх енергетичні спектри є суцільними. Лише при до-захваті нейтрино відносить завжди одну і ту ж енергію.

  Отже, при b - -распаде маса вихідного атома перевищує масу кінцевого атома, а при b + -распаде це перевищення складає не менше двох електронних мас.

  Дослідження Б.-р. ядер неодноразово ставило учених перед несподіваними загадками. Після відкриття радіоактивності явище Б.-р. довгий час розглядалося як аргумент на користь наявності в атомних ядрах електронів; це припущення виявилося в явному протиріччі з квантовою механікою (див. Ядро атомне ). Потім непостійність енергії електронів, що вилітають при Б.-р., навіть породило у деяких фізиків невіру в закон збереження енергії, т.к. било відоме, що в цьому перетворенні беруть участь ядра, що знаходяться в станах із сповна певною енергією. Максимальна енергія електронів, що вилітають з ядра, якраз дорівнює різниці енергій початкового і кінцевого ядер. Але у такому разі було незрозуміло, куди зникає енергія, якщо електрони, що вилітають, несуть меншу енергію. Припущення німецького ученого В. Паулі про існування нової частки — нейтрино — врятувало не лише закон збереження енергії, але і інший найважливіший закон фізики — закон збереження моменту кількості руху. Оскільки спини (тобто власні моменти) нейтрона і протона рівні 1 / 2 , то для збереження спину в правій частині рівнянь Би.-р. може знаходитися лише непарне число часток із спином 1 / 2 . Зокрема, при b - -распаде вільного нейтрона n ® p + e - + n лише появу антинейтрино виключає порушення закону збереження моменту кількості руху.

  Би.-р. має місце в елементів всіх частин періодичної системи. Тенденція до b-перетворення виникає унаслідок наявності в ряду ізотопів надлишку нейтронів або протонів в порівнянні з тією кількістю, яка відповідає максимальній стійкості. Т. о., тенденція до b + -распаду або до-захвату характерна для нейтронодефіцитних ізотопів, а тенденція до b - -распаду — для нейтроноїзбиточних ізотопів. Відомо близько 1500 b-радіоактівніх ізотопів всіх елементів періодичної системи, окрім найважчих (Z ³ 102).

Енергія Б.-р. нині відомих ізотопів лежить в межах від

періоди напіврозпаду поміщені в широкому інтервалі від 1,3 · 10 -2 сік ( 12 N) до ~ 2 10 13 років (природний радіоактивний ізотоп 180 W).

  Надалі вивчення Б.-р. неодноразово приводило фізиків до краху старих вистав. Було встановлено, що Б.-р. управляють сили абсолютно нової природи. Не дивлячись на тривалий період, прошедший з часу відкриття Б.-р., природа взаємодії, що обумовлює Б.-р., досліджена далеко не повністю. Цю взаємодію назвали «слабкою», т.к. оно в 10 12 раз слабкіше ядерного і в 10 9 раз слабкіше електромагнітного (воно перевершує лише гравітаційну взаємодію; див.(дивися) Слабкі взаємодії ). Слабка взаємодія властиво всім елементарним часткам (окрім фотона). Прошло майже півстоліття, перш ніж фізики виявили, що в Би.-р. може порушуватися симетрія між «правим» і «лівим». Це незбереження просторової парності було приписане властивостям слабких взаємодій.

  Вивчення Б.-р. мало і ще одну важливу сторону. Час життя ядра відносний Би.-р. і форма спектру b-часток залежать від тих станів, в яких знаходяться усередині ядра вихідний нуклон і нуклон-продукт. Тому вивчення Б.-р., окрім інформації про природу і властивості слабких взаємодій, значно поповнило уявлення про структуру атомних ядер.

  Вірогідність Би.-р. істотно залежить від того, наскільки близькі один до одного стану нуклонів в початковому і кінцевому ядрах. Якщо стан нуклона не міняється (нуклон як би залишається на колишньому місці), то вірогідність максимальна і відповідний перехід початкового стану в кінцеве називається дозволеним. Такі переходи характерні для Б.-р. легких ядер. Легкі ядра містять майже однакове число нейтронів і протонів. У важчих ядер число нейтронів більше числа протонів. Стани нуклонів різного сорту істотно відмінні між собою. Це утрудняє Б.-р.; з'являються переходи, при яких Би.-р. відбувається з малою вірогідністю. Переходу важко також із-за необхідності зміни спину ядра. Такі переходи називаються забороненими. Характер переходу позначається і на формі енергетичного спектру b-часток.

  Експериментальне дослідження енергетичного розподілу електронів, що випускаються b-радіоактівнімі ядрами (бети-спектру), виробляється за допомогою бети-спектрометрів . Приклади b-спектрів наведені на мал. 1 і мал. 2 .

 

  Літ.: Альфа-, бета- і гамма-спектроскопія, під ред. До. Зігбана, пер.(переведення) з англ.(англійський), ст 4, М., 1969, гл.(глав) 22—24; Експериментальна ядерна фізика, під ред. Е. Сегре, пер.(переведення) з англ.(англійський), т. 3, М., 1961.

  Е. М. Лейкин.

бета-спектр RAE (приклад b -спектра важкого елементу).

бета-спектр нейтрона. На осі абсцис відкладена кинетіч. енергія електронів Е в кев , на осі ординат — число електронів N (Е) у відносних одиницях (вертикальними рисками позначені межі помилок вимірів електронів з даною енергиієй).