Бэта-распад

Ядзерная фізіка

Атамнае ядро · Радыеактыўны распад · Ядзерная рэакцыя · Тэрмаядзерная рэакцыя Асноўныя тэрміны Атамнае ядро · Ізатопы · Ізабары · Кропельная мадэль ядра · Перыяд паўраспаду · Масавы лік · Састаўное ядро · Ланцуговая ядзерная рэакцыя · Ядзернае эфектыўнае сячэнне Распад ядраў Закон радыеактыўнага распаду · Альфа-распад · Бэта-распад · Гама-выпраменьванне · Кластарны распад Складаны распад Электронны захоп · Двайны бэта-распад · Двайны электронны захоп · Унутраная канверсія · Ізамерны пераход Выпраменьванні Нейтронны распад · Пазітронны распад · Пратонны распад · Фотарасшчапленне Захват Электронны захоп · Нейтронны захоп R · S · P · Rp Дзяленне ядра Спантаннае дзяленне Ядзерны сінтэз Пратон-пратонны цыкл · CNO-цыкл · Трайны альфа-працэс · Геліевая ўспышка · Гарэнне вугляроду · Вугляродная дэтанацыя · Гарэнне кіслароду · Гарэнне неону · Гарэнне крэмнію · Рэакцыі сколвання Зорны ядзерны сінтэз Ядзерны сінтэз у Вялікім выбуху Ядзерны сінтэз у звышновых Вядомыя вучоныя Бекерэль · Бетэ · Бор · Гейзенберг · Марыя Кюры · П’ер Кюры · Рэзерфорд · Содзі · Уілер · Фермі

Бэта-распад (β-распад) — тып радыеактыўнага распаду, абумоўлены слабым узаемадзеяннем. Ён змяняе зарад ядра на адзінку без змены масавага ліку. Пры гэтым ядро выпраменьвае бэта-часціцу (электрон або пазітрон), а таксама нейтральную фундаментальную часціцу з паўцэлым спінам (электроннае антынейтрына або электроннае нейтрына, адпаведна). Калі распад адбываецца з выпусканнем электрона і антынейтрына ён называецца «бэта-мінус-распадам» (β^-). У выпадку распаду з выпусканнем пазітрона і нейтрына — «бэта-плюс-распадам» (β⁺). Акрамя β^- і β⁺-распадаў, да бэта-распада адносяць таксама электронны захват, калі ядро захоплівае атамны электрон і выпускае электроннае нейтрына. Нейтрына (антынейтрына), у адрозненне ад электронаў і пазітронаў, вельмі слаба ўзаемадзейнічае з рэчывам і пакідае кропку распаду, выносячы з сабой частку энергіі, што вылучылася пры распадзе.

Механізм распада

Дыяграма Фейнмана для бэта-распаду нейтрона на пратон, электрон і электроннае антынейтрына пры ўдзеле цяжкага W-базона

Бэта-мінус-распад атамнага ядра

У β^--распадзе слабае ўзаемадзеянне ператварае нейтрон ў пратон, пры гэтым выпускаюцца электрон і электроннае антынейтрына:

$n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.$

На фундаментальным узроўні (паказаным на Фейнманаўскай дыяграме) гэта абумоўлена ператварэннем d-кварка ў u-кварк з выпусканнем віртуальнага W-базона, які, у сваю чаргу, распадаецца на электрон і антынейтрына.

Свабодны нейтрон таксама адчувае β⁻-распад (гл. Бэта-распад нейтрона). Гэта абумоўлена тым, што маса нейтрона больш, чым сумарная маса пратона, электрона і антынейтрына. Звязаны ў ядры нейтрон можа распадацца па гэтым канале толькі ў тым выпадку, калі маса мацярынскага атама M_i больш масы даччынага атама M_f (ці, наогул кажучы, калі поўная энергія пачатковага стану менш поўнай энергіі любога магчымага канчатковага стану). Рознасць (M_i − M_f)·c² = Q_β называецца даступнай энергіяй бэта-распаду. Яна супадае з сумарнай кінетычнай энергіяй часціц, якія рухаюцца пасля распаду — электрона, антынейтрына і даччынага ядра (так званага ядра аддачы, чыя доля ў агульным балансе кінетычнай энергіі вельмі малая, паколькі яно значна масіўней дзвюх іншых часціц). Калі не ўлічваць уклад ядра аддачы, то даступная энергія, якая вылучылася пры бэта-распадзе, размяркоўваецца ў выглядзе кінетычнай энергіі паміж электронам і антынейтрына, прычым гэта размеркаванне неперарыўнае: кожная з дзвюх часціц можа мець кінетычную энергію, якая ляжыць у межах ад 0 да Q_β. Закон захавання энергіі дазваляе β⁻-распад толькі пры неадмоўным Q_β.

Даччыны атам пры β⁻-распадзе звычайна ўзнікае ў выглядзе аднакратна зараджанага дадатнага іона, бо ядро павялічвае свой ​​зарад на адзінку, а колькасць электронаў у абалонцы застаецца ранейшай. Устойлівы стан электроннай абалонкі такога іона можа адрознівацца ад стану абалонкі мацярынскага атама, таму пасля распаду адбываецца перабудова электроннай абалонкі. Акрамя таго, магчымы бэта-распад у звязаны стан, калі электрон з нізкай энергіяй, які вылецеў з ядра, захопліваецца на адну з арбіталей абалонкі; у гэтым выпадку даччыны атам застаецца нейтральным.

У β⁺-распадзе пратон ў ядры ператвараецца ў нейтрон, пазітрон і нейтрына:

$p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.$

У адрозненне ад β⁻-распаду, β⁺-распад не можа адбывацца па-за ядра, паколькі маса свабоднага пратона менш масы нейтрона (распад мог бы ісці толькі ў тым выпадку, калі б маса пратона пераўзыходзіла сумарную масу нейтрона, пазітрона і нейтрына). Пратон можа распадацца па канале β⁺-распаду толькі ўнутры ядраў, калі абсалютнае значэнне энергіі сувязі даччынага ядра больш энергіі сувязі мацярынскага ядра. Рознасць паміж двума гэтымі энергіямі ідзе на ператварэнне пратона ў нейтрон, пазітрон і нейтрына і на кінетычную энергію атрыманых часціц. Энергетычны баланс пры пазітронным распадзе выглядае наступным чынам: (M_i − M_f − 2m_e)·c² = Q_β, дзе m_e — маса электрона . Як і ў выпадку β⁻-распаду, даступная энергія Q_β размяркоўваецца паміж пазітронам, нейтрына і ядром аддачы (на долю апошняга прыходзіцца толькі малая частка); кінетычная энергія пазітрона і нейтрына размеркаваны бесперапынна ў межах ад 0 да Q_β; распад дазволены энергетычна толькі пры неадмоўным Q_β.

Пры пазітронеым распадзе даччыны атам ўзнікае ў выглядзе адмоўнага адназарадная іона, паколькі зарад ядра памяншаецца на адзінку. Адзін з магчымых каналаў пазітронаў распаду — анігіляцыя пазітрона, які з’явіўся, з адным з электронаў абалонкі.

Ва ўсіх выпадках, калі β⁺-распад энергетычна магчымы (і пратон з’яўляецца часткай ядра, якое нясе электронныя абалонкі альбо знаходзіцца ў плазме са свабоднымі электронамі), ён суправаджаецца канкуруючым працэсам электроннага захвату, пры якім электрон атама захопліваецца ядром з выпусканнем нейтрына:

$p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+{\nu }_{e}.$

Але калі рознасць мас пачатковага і канчатковага атамаў малая (менш падвоенай масы электрона, гэта значыць 1022 кэВ), то электронны захват адбываецца, не суправаджаючыся пазітронным распадам; апошні ў гэтым выпадку забаронены законам захавання энергіі. У адрозненне ад раней разгледжаных электроннага і пазітроннага бэта-распаду, у электронным захваце ўся даступная энергія (акрамя кінетычнай энергіі ядра аддачы і энергіі ўзбуджэння абалонкі E_x) выносіцца адной часціцай — нейтрына. Таму нейтрынны спектр тут уяўляе з сябе не гладкае размеркаванне, а монаэнергетычную лінію паблізу Q_β.

Калі пратон і нейтрон з’яўляюцца часткамі атамнага ядра, працэсы бэта-распаду ператвараюць адзін хімічны элемент у іншы, суседні па табліцы Мендзялеева. Напрыклад:

$\mathrm {{}^{1}{}_{55}^{37}Cs} \rightarrow \mathrm {{}^{1}{}_{56}^{37}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ ($\beta ^{-}$-распад),

$\mathrm {~_{11}^{22}Na} \rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +e^{+}+{\nu }_{e}$ ($\beta ^{+}$-распад),

$\mathrm {~_{11}^{22}Na} +e^{-}\rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +{\nu }_{e}$ (электронны захват).

Бэта-распад не мяняе лік нуклонаў ў ядры A, але мяняе толькі яго зарад Z (а таксама лік нейтронаў N). Такім чынам, можа быць уведзены набор усіх нуклідаў з аднолькавым A, але рознымі Z і N (ізабарны ланцужок); гэтыя ізабарныя нукліды могуць паслядоўна ператварацца адзін у аднаго пры бэта-распадзе. Сярод іх некаторыя нукліды (па меншай меры, адзін) бэта-стабільныя, паколькі яны ўяўляюць сабой лакальныя мінімумы лішку масы: калі такое ядро мае лік A, Z), суседнія ядра (A, Z − 1) і (A, Z + 1) маюць большы лішак масы і могуць распадацца з дапамогай бэта-распаду ў (A, Z, але не наадварот. Неабходна заўважыць, што бэта-стабільнае ядро можа распадацца іншымі спосабамі (альфа-распадам, напрыклад). Большасць ізатопаў, якія існуюць у прыродных умовах на Зямлі, бэта-стабільныя, але існуе некалькі выключэнняў з такімі вялікімі перыядамі паўраспаду, што яны не паспелі знікнуць за прыкладна за 4,5 млрд гадоў, якія прайшлі з моманту ядзернага сінтэзу. Напрыклад, ⁴⁰K, які можа распадацца па любым з трох тыпаў бэта-распаду (бэта-мінус, бэта-плюс і электронны захват), мае перыяд паўраспаду 1,277×10⁹ гадоў.

Бэта-распад можна разглядаць як пераход паміж двума квантавамеханічнымі станамі, абумоўлены ўзбурэннем, таму ён падпарадкоўваецца залатому правілу Фермі.

Графік Кюры

Графік Кюры (вядомы таксама як графік Фермі) — дыяграма, якая выкарыстоўваецца для вывучэння бэта-распаду. Гэта энергетычная залежнасць квадратнага кораня з колькасці выпрамененых бэта-часціц з дадзенай энергіяй, дзялення на функцыю Фермі. Для дазволеных (і некаторых забароненых) бэта-распадаў графік Кюры лінейны (прамая лінія, нахіленая ў бок росту энергіі). Калі нейтрына маюць канчатковую масу, то графік Кюры паблізу пункту перасячэння з воссю энергіі асобай лінейны, дзякуючы чаму з’яўляецца магчымасць вымераць масу нейтрына.

Двайны бэта-распад

Асноўны артыкул: Двайны бэта-распад

Некаторыя ядра могуць адчуваць двайны бэта-распад (ββ-распад), пры якім зарад ядра мяняецца не на адну, а на дзве адзінкі. У самых практычна цікавых выпадках такія ядра бэта-стабільныя (г.зн. просты бэта-распад энергетычна забаронены), паколькі калі β^- і ββ-распаду абодва дазволеныя, імавернасць β-распаду (звычайна) нашмат больш, замінаючы даследаванням вельмі рэдкіх ββ-распадаў. Такім чынам, ββ-распад звычайна вывучаецца толькі для бэта-стабільных ядраў. Як і просты бэта-распад, двайны бэта-распад не мяняе A; такім чынам, як мінімум адзін з нуклідаў з дадзеным A павінен быць стабільным ў адносінах як да простага, так і да падвойнага бэта-распаду.

Гл. таксама

• Бэта-распад нейтрона
• Двайны бэта-распад
• Зваротны бэта-распад
• Нейтрына
• Пазітронны распад
• Электронны захват
• Радыеактыўны ізатоп