Бета-распад

Бета-распад есть самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро-изобар или .

Различают три вида b-распада:

1) электронный b^--распад, при котором ядро испускает электрон, а потому зарядовое число Z увеличивается на единицу;

2) позитронный b⁺-распад, в котором ядро испускает позитрон и по этой причине его зарядовое число Z уменьшается на единицу;

3) электронный захват (е-захват), в котором ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, а потому зарядовое число уменьшается на единицу. Обычно электрон поглощается из К-слоя атома, поскольку этот слой ближе всего находится от ядра. В этом случае е-захват называют также К-захватом. Электронный захват всегда сопровождается рентгеновским излучением.

Сформулируем условие энергетической возможности всех перечисленных процессов:

В случае b^--распада в конечном состоянии получается дочернее ядро, электрон и, возможно, ещё какие-либо продукты. Поэтому для реализации b^--распада масса материнского ядра должна быть больше, чем масса продуктов:

, (5.24)

где М_яд означает массу ядра. Однако в таблицах всегда приводятся не массы ядер, а массы атомов М_ат. Поэтому целесообразно выразить написанное выше условие через М_ат. Для этого к обеим частям неравенства прибавим массу электронов Zm_e. Тогда получим M_ат(Z,A) > M_ат(Z+1,A), (b^--распад). Электронный b^--распад есть процесс, происходящий внутри атома. Один из нейтронов ядра превращается в протон с рождением электрона и антинейтрино: . Энергию b^--распада можно найти, если известны массы начального и конечного атомов.

Q_b^-=(M_ат(Z,A)-M_ат(Z+1,A))=D(Z,A)-D(Z+1,A) (5.25)

Аналогично для b⁺-распада , так как масса позитрона равна массе электрона. После прибавления Zm_e к обеим частям выше приведённого неравенства получаем

M_ат(Z,A) > M_ат(Z-1,A)+2m_e, (5.26)

Позитронный b⁺-распад есть также процесс, происходящий внутри ядра атома. В результате этого процесса один из протонов ядра превращается в нейтрон с рождением позитрона. Освобождается, кроме того, один электрон из электронной оболочки атома.

Q_b⁺=M_ат(Z,A)-M_ат(Z+1,A) - 2m_e=D(Z,A)-D(Z+1,A) - 2m_e (5.27)

3) В случае е-захвата в начальном состоянии имеются ядро (Z,A) и электрон, а в конечном состоянии – ядро (Z-1,A) без электрона. Поэтому энергетическое условие е-захвата записывается в виде: M_яд(Z,A)+m_e>M_яд(Z-1,A). Или после прибавления к обеим частям неравенства по Zm_e: M_ат(Z,A)>M_ат(Z-1,A). Отсюда получаем

Q_{е-захват}= M_ат(Z,A)-M_ат(Z-1,A)=D(Z,A)-D(Z+1,A), (5.28)

где D - дефект массы для соответствующего ядра.

Простейшим примером электронного b^--распада является распад трития:

Примером позитронного b⁺-распада может служить распад ядра :

Наконец, в качестве примера радиоактивных ядер, испытывающих К-захват, приведем легкий изотоп бериллия , который после К-захвата превращается в изотоп

: .

Спектры b^- и b⁺, возникающие при b-распаде, имеют вид непрерывного распределения от 0 до максимальной энергии Е₀ (См. рис 5.4.).

 

 

Рис. 5.4.Пример b-спектра.

 

Максимальная энергия Е₀ с высокой точностью совпадает с энергией b-распада Q_b. Разница между этими величинами обусловлена энергией отдачи ядра.

Непрерывный b-спектр поставил перед открывшими его исследователями следующие загадки. Первая состояла в том, почему спектр энергий испущенных электронов непрерывный, а не дискретный? Вторая, откуда берутся электроны, если в ядре их нет.

Первую загадку разгадал Паули, который предположил, что существует новая, очень легкая, незаряженная и слабо взаимодействующая с веществом частица-нейтрино. Сейчас, когда никого не удивишь открытием новой частицы, это предположение воспринимается совершенно обыденно. Но в 1930 г. идея Паули была поистине революционной. Ведь тогда были известны только две частицы- электрон и протон. Поэтому только очень немногие серьезно отнеслись к идее Паули. Одним из таких исследователей был Ферми; он воспользовался догадкой Паули и разгадал с её помощью вторую загадку. Согласно Ферми простейший ядерный b-распад нейтрона имеет вид . Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда, его нельзя наблюдать в b-спектрометре. Но электрон и нейтрино делят между собой энергию распада, и регистрируемый в b-спектрометре электрон либо обладает малой частью этой полной энергии, либо почти максимальным её значением.

Ферми не просто описал, как может происходить b-распад; он развил также полную количественную теорию этого явления, провел все необходимые вычисления и определил форму кривой b-спектра и закон зависимости вероятности распада от энергии.