Бета-распад — вид радиоактивного распада¶
Бета-распад — один из видов радиоактивного распада атомных ядер, при котором атомное число ядра изменяется на единицу при неизменной массовом числе, сопровождающийся испусканием бета-частиц (электронов или позитронов) и нейтрино. Процесс обусловлен слабым взаимодействием и является одним из трёх основных типов радиоактивного распада наряду с альфа-распадом и гамма-распадом.
¶Виды бета-распада
Выделяют три основных разновидности бета-распада:
- Бета-минус-распад (β⁻) — нейтрон в ядре превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино: n → p + e⁻ + ν̄ₑ. Ядро смещается вправо по таблице нуклидов, атомное число увеличивается на единицу. Характерен для нейтронно-избыточных ядер, например трития (³H), углерода-14 (¹⁴C), стронция-90 (⁹⁰Sr).
- Бета-плюс-распад (β⁺) — протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино: p → n + e⁺ + νₑ. Атомное число уменьшается на единицу. Возможен только в протонно-избыточных ядрах и всегда сопровождается испусканием нейтрино. Примеры — натрий-22 (²²Na), калий-40 (⁴⁰K).
- Электронный захват (ε) — ядро захватывает внутренний орбитальный электрон (обычно с K-оболочки), в результате чего протон превращается в нейтрон с испусканием нейтрино: p + e⁻ → n + νₑ. Конкурирует с β⁺-распадом и часто преобладает у тяжёлых ядер.
¶Теоретическое описание
Бета-распад был описан в рамках теории слабых взаимодействий. В 1933 году Энрико Ферми предложил математическую модель, основанную на четырёхфермионовом точечном взаимодействии (позднее получившем название «теория Ферми»). В ней ток бета-распада описывается слабым квадрипольным (V–A) взаимодействием кварков, изменяющим «свойство» одного из кварков: d → u + e⁻ + ν̄ₑ (для β⁻-распада нейтрона).
В 1956 году Цунэо Саката и Лев Окунь независимо друг от друга предположили, что нейтрино и антинейтрино — различные частицы. Это позволило объяснить сохранение спина и решило проблему непрерывного спектра энергий бета-частиц. В том же году Клод Коэн и Фредерик Райнес экспериментально подтвердили существование нейтрино.
¶Проблема непрерывного спектра и открытие нейтрино
При β⁻-распаде энергия распада делится между электроном и нейтрино, поэтому электроны испускаются с непрерывным спектром энергий от нуля до максимального значения Q. Это противоречило бы закону сохранения энергии, если бы нейтрино не существовало. В 1930 году Вольфганг Паули выдвинул гипотезу о существовании «нейтрона» (так он первоначально назвал новую частицу), который позднее Энрико Ферми переименовал в нейтрино. Экспериментальное подтверждение нейтрино получил Фредерик Райнес совместно с Клодом Коэном в 1956 году на ядерном реакторе.
¶Квадратный запрещённый переход
В 1948 году Мари Готе-Телеш и Юлиан Каданов предсказали существование «квадратно запрещённого» бета-перехода — распада, вероятность которого на много порядков ниже обычного из-за несоответствия квантовых чисел начального и конечного состояний. Такие переходы наблюдаются, например, у рения-187 (¹⁸⁷Re) и кадмия-113 (¹¹³Cd). Изучение квадратно запрещённых переходов позволило уточнить массы нейтрино.
¶Роль в природе и применении
Бета-распад играет важную роль в ядерной астрофизике: в процессах синтеза элементов в звёздах (процессы p-p, CNO-цикл, тройной альфа-процесс) и при вспышках сверхновых, где β⁻-распад нейтронно-избыточных ядер сопровождается выбросом потоков нейтрино. Бета-распад лежит в основе работы радиоуглеродного метода датирования — по содержанию ¹⁴C в органических образцах определяют возраст находок до 50 тысяч лет.
В медицине β⁺-распад применяется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ): введённый в организм радиофармпрепарат (например, ¹⁸F-фтордезоксиглюкоза) испускает позитроны, аннигилирующие с электронами с образованием пары гамма-квантов, детектируемых томографом. β⁻-излучатели (стронций-90, тритий) используются в промышленности для толщиномеров, дефектоскопии и в качестве источников энергии в бета-вольтаических элементах.
¶Основные характеристики
| Параметр | β⁻ | β⁺ | Электронный захват |
|---|---|---|---|
| Изменение Z | +1 | −1 | −1 |
| Испускаемые частицы | e⁻, ν̄ₑ | e⁺, νₑ | νₑ (+ рентгеновское излучение оболочки) |
| Типичные полупериоды | от долей секунды до 10¹⁰ лет | аналогично | аналогично |
Полупериоды бета-распада охватывают огромный диапазон — от тысячных долей секунды для крайне нестабильных ядер до миллиардов лет (например, у калия-40 — 1,25 млрд лет), что делает такие нуклиды ценными «часами» для геологии и космохронологии.
Источники:
- Физическая энциклопедия, т. 1. — М.: Большая российская энциклопедия, 1988.
- Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. — М.: Наука, 1964.
- Константинов А. О., Нечаев Ю. Ф. Физика атомного ядра. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001.
- Сегре Э. От нейтрона до кварков. — М.: Мир, 1982.
- Krane K. S. Introductory Nuclear Physics. — John Wiley & Sons, 1988.