Природа бета-распада
Бета-распад — это вид радиоактивного превращения ядер, при котором происходит преобразование одного типа нуклона в другой: нейтрона в протон или наоборот. Этот процесс сопровождается испусканием бета-частицы — электрона (β⁻) или позитрона (β⁺), а также антинейтрино или нейтрино, соответственно. В отличие от альфа-распада, в ходе бета-распада массовое число ядра сохраняется, изменяется только зарядовое число — то есть происходит смена элемента.
Механизм бета-распада основан на слабом взаимодействии и является следствием превращения одного из кварков внутри нуклона. Бета-распад играет важную роль в нуклеосинтезе, радиоактивности и энергетических балансах в астрофизических объектах.
Электронный бета-распад (β⁻-распад)
Электронный бета-распад происходит в нейтронодефицитных ядрах, где избыток нейтронов приводит к неустойчивости. В этом процессе один из нейтронов в ядре превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино:
Соответственно, на уровне ядра:
Таким образом, заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным. Испускаемый электрон имеет непрерывный спектр энергий от нуля до некоторого максимального значения. Это связано с тем, что энергия распада распределяется между двумя частицами — электроном и антинейтрино.
Пример β⁻-распада:
Изотоп углерода-14, нестабильный по отношению к бета-распаду, превращается в азот-14, испуская электрон и антинейтрино. Этот процесс используется в радиоуглеродном датировании.
Спектр электронов
Электронный спектр бета-распада непрерывен — в отличие от дискретных линий, характерных, например, для альфа-распада. Это объясняется участием в процессе трёх тел: ядра-дочернего, электрона и антинейтрино. Закон распределения энергии между ними описывается формулой Ферми, учитывающей кулоновское взаимодействие между электронами и ядром.
Позитронный бета-распад (β⁺-распад)
Позитронный бета-распад происходит в протонодефицитных ядрах, в которых избыток протонов делает систему нестабильной. При этом один из протонов превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино:
На уровне ядра:
Заряд ядра уменьшается на единицу, массовое число остается прежним.
Пример β⁺-распада:
Реализация позитронного распада требует наличия избыточной энергии в ядре, превышающей как минимум 2mₑc² ≈ 1,022 МэВ, чтобы обеспечить энергию образования пары позитрон-электрон. Если этой энергии недостаточно, происходит электронный захват, альтернативный процесс преобразования протона в нейтрон.
Энергетические условия и массовый баланс
Для бета-распада обязательным является выполнение условия энергетической выгодности: масса исходного атома должна превышать массу продукта распада плюс масса испущенной частицы (электрона или позитрона). Поэтому:
Для β⁻-распада:
Для β⁺-распада:
Разница обусловлена тем, что при β⁺-распаде позитрон должен быть создан, а его последующее аннигилирование с электроном высвобождает дополнительную энергию.
Электронный захват
Если энергия распада недостаточна для испускания позитрона, возможен процесс электронного захвата (K-захват), при котором ядро захватывает один из собственных электронов (чаще всего с K-оболочки), в результате чего протон превращается в нейтрон:
В ядре:
После захвата на внутренней оболочке возникает вакансия, которая заполняется электронами с внешних оболочек, при этом испускаются рентгеновские кванты или характеристические электроны (ауже-электроны).
Свойства бета-излучения
Бета-частицы (электроны и позитроны) обладают меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но большей проникающей способностью. Они способны проникать на глубину до нескольких миллиметров в веществах с низкой плотностью и могут быть экранированы несколькими миллиметрами алюминия.
Позитроны, испущенные при β⁺-распаде, почти мгновенно аннигилируют с электронами среды, образуя два гамма-кванта по 511 кэВ. Это аннигиляционное излучение играет важную роль в таких технологиях, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Закон сохранения и взаимодействие
Бета-распад подчиняется ряду фундаментальных законов сохранения:
Закон сохранения энергии
Закон сохранения импульса
Закон сохранения электрического заряда
Закон сохранения лептонного числа:
Эти законы позволяют точно описывать и предсказывать все возможные типы превращений и взаимодействий в слабом процессе.
Теория Ферми
Теоретическое описание бета-распада было впервые предложено Э. Ферми в 1934 году. Он рассмотрел процесс как контактное взаимодействие четырёх фермионов — нуклонов и лептонов, введя универсальную постоянную слабого взаимодействия. Теория Ферми успешно объяснила непрерывный спектр электронов и заложила основу для квантовой теории слабых взаимодействий, впоследствии развитой в Стандартной модели.
Современное понимание бета-распада опирается на обмен W-бозонами между кварками, в результате чего изменяется тип кварка (например, d-кварк превращается в u-кварк), и, соответственно, нейтрон превращается в протон.
Запрещённые и разрешённые переходы
В зависимости от изменения спина и четности, бета-переходы классифицируются как разрешённые или запрещённые:
Эта классификация используется в расчётах β-спектров и ядерных моделей.
Бета-активные нуклиды и их период полураспада
Периоды полураспада β-активных ядер варьируются в широких пределах — от долей секунды до миллиардов лет. Например:
Эта вариативность позволяет использовать бета-радионуклиды в самых разных приложениях — от датирования археологических находок до медицинской диагностики и терапии.
Применение бета-распада
Бета-распад лежит в основе многочисленных приложений:
Бета-распад в астрофизике
Бета-процессы играют важную роль в звездной эволюции и нуклеосинтезе. В частности, β⁻-распад является частью цепочек распада в процессе r-синтеза, ответственного за образование тяжёлых элементов во взрывах сверхновых. Электронный захват и β⁺-распад влияют на состав вещества в коллапсирующих ядрах массивных звёзд.
Благодаря этим процессам происходит смещение ядер вдоль кривой стабильности и обеспечение равновесия между нейтронами и протонами в экстремальных условиях.