Бе́та-части́цы ( англ. beta particles , нем. Betateilchen , β-частицы ) — электроны и позитроны , которые вылетают из атомных ядер некоторых радиоактивных веществ при радиоактивном бета-распаде . Направление движения бета-частиц меняется магнитными и электрическими полями , что свидетельствует о наличии в них электрического заряда. Скорости электронов достигают 0,998 скорости света . Бета-частицы ионизируют газы , вызывают люминесценцию многих веществ, действующих на фотоплёнки. Поток бета-частиц называют бета-излучением.

Бета-частицы — заряженные частицы, а потому интенсивно взаимодействуют с веществом на всей длине своего пробега. Они оставляют за собой ионизированных атомов и молекул . При детектировании в камерах Вильсона и пузырьковых камерах в магнитном поле , трек закручивается, что позволяет идентифицировать бета-частицы по отношению заряда к их массе .

Известно более 1500 ядер, излучающие бета-частицы при распаде .

История

После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивного излучения, началось его активное исследование. В 1899 году Эрнест Резерфорд опубликовал работу, в которой он показал, что существует несколько типов излучаемых частиц: тяжёлые, положительно заряженные частицы с малой проникающей способностью, получившие название альфа-излучения , и лёгкие, отрицательно заряженные частицы с в сто раз большим пробегом в веществе, которые он назвал бета-излучением. В 1900 году Беккерель, измерив отношение заряда бета-частиц к их массе, показал, что эти частицы являются электронами.

В 1930 году, разрабатывая теорию бета-распада , Энрико Ферми предположил, что бета-частицы не содержатся в ядре, но образуются при распаде нейтрона. Теория Ферми в дальнейшем стала основой для построения современных теорий слабого взаимодействия .

Типы бета-частиц

Существует два типа бета-распада, и, соответственно, два типа бета-частиц, при этом образуются:

• β ^- частица — электрон . Образуется при распаде нейтрона по схеме ${\displaystyle n\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}}$ , Где n — нейтрон, p ⁺ — протон , e ^- — электрон, ${\displaystyle {\bar {\nu }}}$ — антинейтрино. По такой схеме распадаются как свободные нейтроны, так и много природных изотопов, имеющих избыток нейтронов.
• β ⁺ частица — позитрон . Образуется при распаде протона по схеме ${\displaystyle p^{+}\rightarrow n+e^{+}+\nu }$ . По этой схеме распадаются тяжёлые ядра.

Источники излучения

Непосредственно, бета-частицы образуются при распаде виртуального заряженного W ^- -бозона на электрон и антинейтрино. Бозон, в свою очередь, образуется при распаде d-кварка, что находится в нейтроне, на u-кварк и W ^- бозон. В случае позитронного распада все эти реакции происходят с обратными знаками: u-кварк в протоне распадается с образованием d-кварка и W ⁺ -бозона, что распадается на позитрон и нейтрино.

При бета-распаде часто кроме бета-частиц образуются и гамма-кванты, поэтому более широкое практическое применение имеют чистые бета-излучатели. К ним относятся нуклиды :

• Водород-3 ( тритий )
• Никель-63
• Криптон-85
• Стронций-90
• Иттрий-90

и другие.

Конструктивно источники бета-частиц представляют собой капсулу, содержащую радиоактивный изотоп и отверстие, через которое излучаются частицы.

Спектр

В отличие от альфа-частиц , спектр которых имеет выраженные пики, спектр бета-частиц является сплошным. Это связано с тем, что при распаде W-бозона , энергия распределяется между двумя продуктами этого распада произвольно, и возможны любые комбинации энергий нейтрино и электрона. Максимальная энергия бета-частицы зависит от типа распада, и равна [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m _e ]c ² для β ^- и [M (A, Z) -M (A, Z-1) -m _e ]c ² для β ⁺ , где M (A, Z) — масса ядра нуклида с порядковым номером Z и количеством нуклонов в ядре A .

Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад трития ), до 20 МэВ (распад лития-11)

Также диапазон энергий бета-частиц смещается благодаря действию кулоновских сил, тормозящих электроны и ускоряют позитроны.

Конкретный спектр энергий бета-частиц описывается следующим уравнением :

${\displaystyle N(\gamma )d\gamma =G^{2}|m|^{2}f(Z,\gamma )(\gamma _{0}-\gamma )^{2}(\gamma ^{2}-1)^{1/2}\gamma d\gamma }$

где γ — энергия в единицах mc ^2, то есть E/mc ² , N (γ) dγ — часть ядер, излучающие бета-частицы с энергией γ за единицу времени, f (Z, γ) — функция, выражающая действие кулоновских сил на частицу, | m | ² — квадрат матричного элемента определяет вероятность распада, γ ₀ — предельная энергия распада, а G — некоторая константа.

В некоторых случаях, бета-распад происходит с возбуждением состояния ядра, энергия которого затем передается электронам с электронной оболочки атома. Это явление называется внутренняя конверсия . В таком случае, спектр бета-частиц имеет несколько ярко выраженных пиков .

Спектр бета-частиц исследуется с помощью .

Взаимодействие с веществом

Средняя длина пробега

Бета-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами в веществе до полной остановки. Пробег бета-частиц зависит от их энергии. Эффективный пробег (толщина слоя вещества, которая останавливает практически все частицы) представлен в таблице :

вещество	0,05 МэВ	0,5 МэВ	5 МэВ	50 МэВ
	длина пробега β-частицы, cм
воздух	4,1	160	2000	17000
вода	4,7 · 10 −3	0,19	2,6	19
алюминий	2 · 10 −3	0,056	0,95	4,3
свинец	5 · 10 −4	0,02	0,3	1,25

В большинстве случаев для защиты от бета-частиц достаточно экрана из оргстекла толщиной в 1-2 сантиметра , или металлического листа толщиной 3-5 миллиметров.

Взаимодействие с электронными оболочками

При столкновениях с атомами бета-частица может ионизировать атом, или перевести его в возбуждённое состояние. Оба события имеют примерно равные вероятности, а энергия теряемая таким образом называется ионизационными потерями.

Средние потери энергии электроном при прохождении слоя простого вещества, можно выразить следующей формулой, открытой Ландау :

${\displaystyle \Delta E=0,6\rho (Z/A)\Delta x/\beta ^{2}}$ ,

где Δx — толщина слоя вещества, ρ — плотность вещества, β — скорость электрона в единицах c, Z и A — заряд и масса элемента.

Однако, применять эту формулу к реальным бета-частицам стоит с осторожностью, потому что она описывает монохромный пучок электронов, а в естественном их пучке всегда существуют электроны различных энергий, которые будут тормозиться с разной скоростью.

Взаимодействие с атомными ядрами

При взаимодействии с ядром электроны могут однократно или многократно рассеиваться в кулоновском поле ядра. Особенностью бета-частиц является то, что, из-за малой массы, при рассеянии их импульс может сильно меняться, что приводит к тормозному излучению . Для высокоэнергетических электронов такое излучение является более значимым каналом потери энергии . Излучённые гамма-кванты могут, в свою очередь, также выбивать электроны, что приводит к образованию каскадов электронов в веществе. Энергия бета-частиц, при которой потери на излучение уравниваются с ионизационными потерями называется критической энергией. В зависимости от вещества, критическая энергия может принимать значения от 83 МэВ (воздух) до 7 МэВ (свинец) — таким образом, поскольку энергия частиц, образующихся при бета-распаде, редко превышает 5 МэВ, этот канал не является основным.

Благодаря рассеянию на ядрах, бета-частицы сильно меняют направление своего движения: средний угол отклонения бета-частицы пропорционален квадратному корню из толщины пройденного слоя вещества, а при достаточно толстом слое, говорить о направлении движения электронов уже нельзя, а их перемещение больше напоминает диффузию .

Черенковское излучения

Поскольку скорости бета-частиц, как правило, близки к скорости света, при попадании в прозрачную среду они движутся быстрее, чем свет в этой среде, что приводит к возникновению черенковского излучения. Такое излучение характерно, например, для ядерных реакторов, использующих воду в качестве замедлителя нейтронов.

Обратное рассеяние

Также, при попадании бета-частиц на поверхность некоторого материала, некоторые из них отражаются на большие углы (> 90 °). Этот явление называется обратным рассеянием . Часть частиц, отразившихся на большие углы после падения на поверхность вещества называется коэффициентом обратного рассеяния. Этот коэффициент качественно зависит от атомного номера вещества, энергии падающих частиц и толщины слоя вещества следующим образом :

1. Возрастает пропорционально заряду ядра в степени 2/3
2. Возрастает пропорционально толщине слоя вещества, вплоть пока она не станет равной примерно 1/5 от эффективной длины пробега бета-частиц в этом веществе, после чего дальнейший рост перестает влиять на коэффициент. Такая толщина называется толщиной насыщения.
3. Возрастает с ростом максимальной энергии бета-частиц до значения 0,6 МэВ, после чего остается практически неизменным.

Детектирование бета-частиц

Основным способом детектирования бета-частиц является измерение создаваемой ими ионизации . Для детектирования частиц сравнительно небольших энергий наиболее распространены газонаполненные счётчики (такие как счетчик Гейгера — Мюллера ) или твёрдотельные счётчики. Для детектирования электронов более высоких энергий используются счётчики, фиксирующие черенковское излучения , создаваемого быстрыми частицами.

Использование

Бета-терапия

Бета-частицы используются в медицине — облучение электронами, образующимися при бета-распаде. Бета-терапия является разновидностью лучевой терапии , и используется для лечения опухолей и других патологических изменений в тканях. Существует несколько форм бета-терапии: излучающие аппликаторы могут прикладываться к пораженным участкам тела, или же растворы, содержащие в себе излучающие изотопы могут вводиться внутриполостно .

Измерение толщины тонких слоёв

С помощью явления обратного рассеяния можно очень точно определять толщину тонких слоёв вещества, таких как бумага — до некоторого значения, количество отраженных электронов возрастает пропорционально толщине слоя вещества. Также, такие измерения можно проводить, замерив долю бета-частиц, поглощённых веществом . С помощью обратного рассеяния можно, также, измерять толщину покрытия, не повреждая его .

Подсветка

Поскольку бета-частицы вызывают свечение при попадании на поверхность, покрытую люминофором , они используются для создания очень долговечных источников освещения: для этого небольшое количество излучающего изотопа (например, трития ) наносят на поверхность, которая будет служить источником света, и дополнительно покрывают люминофором. Бета-частицы, излучаемые изотопом, заставляют поверхность светиться в течение десятков лет. Таким образом часто подсвечиваются стрелки часов и других приборов .

Воздействие на организм

Бета-частицы хорошо задерживаются одеждой, поэтому опасность представляют, в первую очередь, при попадании на кожу или внутрь организма. Так, после чернобыльской катастрофы люди получали бета-ожоги ног, потому что ходили босиком .

Основным фактором влияния бета-излучения на организм является создаваемая им ионизация. Она может привести к нарушению метаболизма в клетке и в дальнейшем к её смерти. Особенно опасной является высвобождение энергии бета-частицы рядом с молекулой ДНК , что приводит к потенциально онкологически опасным мутациям . В случае больших доз облучения, одновременно гибель большого количества клеток в тканях может вызвать их патологические изменения ( лучевая болезнь ). Наиболее уязвимыми для радиации является слизистые оболочки , органы кроветворения . Гибель нервных клеток опасна из-за их низкого уровня восстановления.

Относительная биологическая эффективность бета-излучения равна единице (для сравнения, для альфа-частиц этот показатель равен 20), потому что энергия, которую несёт бета-частица, является относительно небольшой .

Также гамма-кванты тормозного излучения, создаваемые бета-частицами при движении в веществе, имеют значительно большую проникающую способность, а потому могут нести дополнительную опасность .

Дельта и эпсилон-излучения

Существуют и другие типы излучения, частицами которого являются электроны.

Электроны, выбивающиеся частицами из атомов при ионизации, образуют так называемое . Дельта-частицы (или дельта-электроны) являются электронами как и бета-частицы, однако их энергия редко превышает 1 кэВ, а спектр отличается от спектра бета-частиц. Дельта-электроны тоже могут, в свою очередь, выбивать другие электроны, вызывая третичную ионизацию . Электроны, выбитые дельта-частицами, называются эпсилон-частицами.

Примечания