Бета-распад

Β-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е^-) — происходит так называемый β^--распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е⁺) — происходит β⁺-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы — нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино в случае β^--распада. При β^--распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β⁺-распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где — символ ядра, состоящего из Z протонов и А—Z нейтронов.

Простейшим примером (β^--распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона — 13 мин):

Более сложный пример (β^--распада — распад тяжёлого изотопа водорода — трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):

Очевидно, что этот процесс сводится к β^--распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента — ядро лёгкого изотопа гелия ³₂Не.

Примером β⁺-распада может служить распад изотопа углерода ¹¹С по следующей схеме:

Этот процесс можно представить как распад связанного протона

В этом случае ядро углерода превращается в ядро предшествующего ему в периодической таблице элемента — бора.

Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона с ближайшей к ядру К-оболочки, т. н. К-захват. При К-захвате, как и при β⁺-распаде, образуется изобар, стоящий в периодической системе элементов слева от исходного ядра. Уравнение К-захвата имеет вид:

После захвата К-электрона на освободившееся место переходят электроны с более высоких оболочек; при этом испускается фотон. Т. о., К-захват сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения. Примером К-захвата может служить реакция, при которой ядро изотопа бериллия захватывает К-электрон и превращается в ядро лития:

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е_β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с — скорость света в вакууме. В случае β-распада

где М — массы нейтральных атомов. В случае β+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна:

где me — масса электрона.

Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E_β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Итак, при β^--распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β⁺-распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс.

Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы — нейтрино — спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики — закон сохранения момента количества движения. Поскольку Спины (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны ¹/₂, то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином ¹/₂. В частности, при β^--распаде свободного нейтрона n → p + e^- + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β⁺-распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β^--распаду — для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от

периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10^-2 сек (¹²N) до ~ 2 10¹³ лет (природный радиоактивный изотоп ¹⁸⁰W).

В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали «слабым», т.к. оно в 10¹² раз слабее ядерного и в 10⁹ раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (См. Элементарные частицы) (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между «правым» и «левым». Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий.

Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра β-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер.

Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц.

Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометров. Примеры β-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22—24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.

Е. М. Лейкин.

Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв, на оси ординат — число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией).

Бета-спектр RaE (пример β -спектра тяжёлого элемента).