Ядерная физика
Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция
Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · Составное ядро · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение
Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · · Кластерный распад
Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход
Излучения Ионизирующее излучение · Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление
Захваты Электронный захват · Нейтронный захват ( r-процесс · s-процесс ) · Протонный захват ( p-процесс · rp-процесс ) · Нейтронизация
Деление ядра Спонтанное деление
Нуклеосинтез Первичный нуклеосинтез · Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания
См. также: Портал:Физика

Бе́та-распа́д ( β -распад) — тип радиоактивного распада , обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа . При этом распаде ядро излучает электрон или позитрон ( бета-частицу) , а также нейтральную частицу с полуцелым спином ( электронное антинейтрино или электронное нейтрино ).

Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов:

• ядро (или нейтрон ) испускает электрон и антинейтрино — «бета-минус-распад» ( β ⁻ ).
• ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад» ( β ⁺ ).

При электронном распаде возникает антинейтрино, при позитронном распаде — нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда .

Кроме β ⁻ и β ⁺ -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват ( e -захват), в котором ядро захватывает электрон из своей электронной оболочки и испускает электронное нейтрино.

Нейтрино (антинейтрино), в отличие от электронов и позитронов, крайне слабо взаимодействует с веществом и уносят с собой часть доступной энергии распада.

Механизм распада

В β ⁻ -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон , при этом испускаются электрон и электронное антинейтрино :

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

На фундаментальном уровне (показанном на фейнмановской диаграмме ) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием виртуального W ⁻ -бозона , который, в свою очередь, распадается на электрон и антинейтрино.

Свободный нейтрон также испытывает β ⁻ -распад (см. Бета-распад нейтрона ). Это обусловлено тем, что масса нейтрона больше, чем суммарная масса протона, электрона и антинейтрино. Связанный в ядре нейтрон может распадаться по этому каналу только в том случае, если масса материнского атома M _i больше массы дочернего атома M _f (или, вообще говоря, если полная энергия начального состояния больше полной энергии любого возможного конечного состояния) . Разность ( M _i − M _f )· c ² = Q _β называется доступной энергией бета-распада. Она совпадает с суммарной кинетической энергией движущихся после распада частиц — электрона, антинейтрино и дочернего ядра (так называемого ядра отдачи, чья доля в общем балансе уносимой кинетической энергии очень мала, поскольку оно значительно массивнее двух других частиц). Если пренебречь вкладом ядра отдачи, то доступная энергия, выделившаяся при бета-распаде, распределяется в виде кинетической энергии между электроном и антинейтрино, причём это распределение непрерывно: каждая из двух частиц может иметь кинетическую энергию, лежащую в пределах от 0 до Q _β . Закон сохранения энергии разрешает β ⁻ -распад лишь при неотрицательном Q _β .

Если распад нейтрона произошёл в ядре атома, то дочерний атом при β ⁻ -распаде обычно возникает в виде однократно заряженного положительного иона, поскольку ядро увеличивает свой заряд на единицу, а количество электронов в оболочке остаётся прежним. Устойчивое состояние электронной оболочки такого иона может отличаться от состояния оболочки материнского атома, поэтому после распада происходит перестройка электронной оболочки, сопровождающаяся излучением фотонов. Кроме того, возможен бета-распад в связанное состояние , когда вылетевший из ядра электрон с низкой энергией захватывается на одну из орбиталей оболочки; в этом случае дочерний атом остаётся нейтральным.

В β ⁺ -распаде протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино :

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

В отличие от β ⁻ -распада, β ⁺ -распад не может происходить вне ядра, поскольку масса свободного протона меньше массы нейтрона (распад мог бы идти только в том случае, если бы масса протона превосходила суммарную массу нейтрона, позитрона и нейтрино). Протон может распадаться по каналу β ⁺ -распада лишь внутри ядер, когда абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц. Энергетический баланс при позитронном распаде выглядит следующим образом: ( M _i − M _f − 2 m _e )· c ² = Q _β , где m _e — масса электрона. Как и в случае β ⁻ -распада, доступная энергия Q _β распределяется между позитроном, нейтрино и ядром отдачи (на долю последнего приходится лишь малая часть); кинетическая энергия позитрона и нейтрино распределены непрерывно в пределах от 0 до Q _β ; распад разрешён энергетически лишь при неотрицательном Q _β .

При позитронном распаде дочерний атом возникает в виде отрицательного однозарядного иона, поскольку заряд ядра уменьшается на единицу. Один из возможных каналов позитронного распада — аннигиляция появившегося позитрона с одним из электронов оболочки.

Во всех случаях, когда β ⁺ -распад энергетически возможен (и протон является частью ядра, несущего электронные оболочки либо находящегося в плазме со свободными электронами), он сопровождается конкурирующим процессом электронного захвата , при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

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

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь позитронным распадом; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии . В отличие от ранее рассмотренных электронного и позитронного бета-распада, в электронном захвате вся доступная энергия (кроме кинетической энергии ядра отдачи и энергии возбуждения оболочки E _x ) уносится одной частицей — нейтрино. Поэтому нейтринный спектр здесь представляет собой не гладкое распределение, а моноэнергетическую линию вблизи Q _β .

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра , процессы бета-распада превращают один химический элемент в другой, соседний по таблице Менделеева . Например:

${\displaystyle \mathrm {^{137}_{55}Cs} \rightarrow \mathrm {^{137}_{56}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$ ( ${\displaystyle \beta ^{-}}$ -распад, энергия распада 1175 кэВ ),

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

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

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A , но меняет только его заряд Z (а также число нейтронов N ). Таким образом, может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A , но различными Z и N (изобарная цепочка); эти изобарные нуклиды могут последовательно превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы избытка массы : если такое ядро имеет числа ( A , Z ) , соседние ядра ( A , Z − 1) и ( A , Z + 1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в ( A , Z ) , но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада ( альфа-распаду , например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада , что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет , прошедшие с момента нуклеосинтеза . Например, ⁴⁰ K , который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1,277⋅10 ⁹ лет .

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми .

В зависимости от ориентации спинов образующихся частиц выделяют два варианта бета-распада. Если спины образующихся при бета-распаде электрона и антинейтрино параллельны (на примере бета-минус распада), то происходит переход типа Гамова — Теллера. Если спины электрона и антинейтрино ориентированы противоположно, происходит переход типа Ферми (см. ).

График Кюри

График Кюри (известен также как график Ферми) — диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц с данной энергией, делённая на функцию Ферми. Для разрешённых (и некоторых запрещённых) бета-распадов график Кюри линеен (прямая линия, наклонённая в сторону роста энергии). Если нейтрино имеют конечную массу, то график Кюри вблизи точки пересечения с осью энергии отклоняется от линейного, благодаря чему появляется возможность измерить массу нейтрино.

Двойной бета-распад

Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад ( ββ -распад), при котором заряд ядра меняется не на одну, а на две единицы. В самых практически интересных случаях такие ядра бета-стабильны (то есть простой бета-распад энергетически запрещён), поскольку когда β - и ββ -распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких ββ -распадов. Таким образом, ββ -распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A ; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным A должен быть стабильным по отношению как к простому, так и к двойному бета-распаду.

История

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино . В 1914 году Дж. Чедвик экспериментально показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда — ½. В известном письме, написанном в 1930 году , Вольфганг Паули предположил, что, помимо электронов и протонов, атомы содержат очень лёгкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В 1931 году Энрико Ферми переименовал «нейтрон» Паули в нейтрино, и в 1934 году Ферми опубликовал очень удачную , в которой участвовали нейтрино .

Процесс позитронного бета-распада был открыт Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри в 1934 году. Явление электронного захвата было впервые обнаружено в 1937 году Л. Альваресом .

См. также

• Бета-распад нейтрона
• Двойной бета-распад
• Позитронная эмиссия
• Электронный захват

Примечания

Литература

• Ву Ц. С. , Мошковский С. А. Бета-распад. — М. : Атомиздат, 1970. — 397 с.
• Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М. : Физматлит, 1959. — 471 с. — 18 000 экз.
• Челлен Г. Физика элементарных частиц. — М. : Наука, 1966. — 556 с. — 8000 экз.
• Соловьёв В.Г. Теория атомного ядра: Квазичастицы и фононы. — Энергоатомиздат, 1989. — С. 103, 111, 112, 123, 138, 147, 208, 274, 288. — 304 с. — ISBN 5-283-03914-5 .
• Ерозолимский Б.Г.Бета-распад нейтрона. УФН . 1975. Том 116. С. 145–164