קרינת בטא

קרינת בטא (β) היא סוג של קרינה רדיואקטיבית, שמקורה בגרעין האטום. החלקיק המהווה את קרינת הבטא, או חלקיק בטא, הוא אלקטרון (חלקיק בטא מינוס) או פוזיטרון (חלקיק בטא פלוס). קרינת בטא היא קרינה מסיבית - כלומר, לחלקיקים הנושאים אותה יש מסת מנוחה, בדומה לקרינת אלפא ובשונה מקרינת גמא. הכוח היסודי האחראי לקיומה של קרינת בטא הוא הכוח החלש. זאת, מכיוון שאירועי קרינת בטא מערבים שינוי טעם של חלקיק בגרעין האטום, כלומר, הפיכה של חלקיק מפרוטון לנייטרון או להפך על ידי שינוי הטעם של אחד מקווארקי הערכיות. רק הכוח החלש מסוגל לגרום לחלקיק לשנות את טעמו. תהליך קרינת בטא מערב בהכרח פליטה של אלקטרון או פוזיטרון, שהרי כל החלקיקים מצייתים לחוקי שימור מסוימים, כגון חוק שימור המטען החשמלי. כדי שפרוטון, בעל מטען חשמלי 1, יוכל להפוך לנייטרון, בעל מטען חשמלי 0, עליו "להעביר" את יחידת המטען לחלקיק אחר - במקרה זה, פוזיטרון. גם חוקי שימור אחרים מתבטאים בתהליך של קרינת בטא, לרבות חוק שימור המספר הלפטוני, המחייב כי יחד עם הפוזיטרון (בעל מספר לפטוני -1) ייפלט גם חלקיק נייטרינו (בעל מספר לפטוני 1). כך, נשמר המספר הלפטוני משני צדי התהליך, שכן לפרוטון ולנייטרון מספר לפטוני של 0. ישנה אפשרות תאורטית להתפרקות בטא כפולה ללא פליטת נויטרינו. בתהליך זה נפלטים שני חלקיקי בטא ושני חלקיקי נייטרינו וירטואליים שמאיינים זה את זה. חיפוש אחר התפרקות בטא כפולה נטולת נייטרינו נמצאת בחזית המחקר הנסיוני בתחום דעיכות הבטא. קרינת בטא מינוס מתרחשת כאשר אחד הנייטרונים בגרעין הופך לפרוטון תוך פליטת אלקטרון ואנטי-נייטרינו אלקטרוני: n 0 → p + + e − + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} מכיוון שהפרשי המסה בין הנייטרון לפרוטון גדולים ממסת האלקטרון (והנייטרינו), תהליך זה מתרחש באופן ספונטני עבור נייטרונים בודדים, ועבור איזוטופים בהם היחס בין מספרי הפרוטונים והנייטרונים קטן. אולם עבור איזוטופים בהם יחס זה גדול יותר, התוספת באנרגיה החשמלית של הגרעין תהיה מספיק גדולה בשביל להפוך תהליך זה ללא כדאי מבחינה אנרגטית. קרינת בטא פלוס מתרחשת כאשר אחד מהפרוטונים בגרעין הופך לנייטרון, תוך פליטת פוזיטרון ונייטרינו:   p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}} מכיוון שמסת הפרוטון קטנה ממסת הנייטרון תהליך זה אינו מתרחש ספונטנית עבור פרוטונים בודדים. הוא מתרחש בגרעינים בהם היחס בין מספרי הפרוטונים והנייטרונים גדול, ובהם הרווח האנרגטי שנגרם מהורדת הדחייה החשמלית גדול יותר מהאנרגיה הדרושה להשקעה בתהליך. תהליך נפוץ יותר, הדומה לקרינת בטא פלוס הוא לכידת אלקטרון, בו אלקטרון נופל אל תוך הגרעין האטום, נבלע בפרוטון שנהפך לנייטרון תוך כדי פליטת ניוטרינו. מבחינת המודל הסטנדרטי, ברמת הקווארקים, קרינת בטא מינוס מתרחשת כאשר קווארק למטה אחד בנייטרון (נייטרון מכיל שני קווארקים למטה בעלי מטען חשמלי 1/3e- וקווארק למעלה אחד בעל מטען 2/3e+) הופך לקווארק למעלה. המחקר של התפרקות בטא סיפק הוכחה הפיזיקלית הראשונה לקיומו של הניטרינו. בהתפרקות אלפא ובהתפרקות גמא, לחלקיק האלפא או הגמא שנוצר הייתה אנרגיה בתחומים מוגדרים, מפני שהחלקיק בהתפרקויות אלה נושא את האנרגיה שמקורה בהבדל בין המצב הגרעיני הראשוני והסופי של הגרעין ממנו נפלט. לעומת זאת, התפלגות האנרגיה הקינטית, או הספקטרום, של חלקיקי בטא שנמדדו על ידי ליזה מייטנר ואוטו האן בשנת 1911 ועל ידי Jean Danysz בשנת 1913, הראו כי לחלקיקים אלה אנרגיה קינטית המתפלגת בתחום רחב. מדידות אלו הצביעו על כך שלחלקיקי בטא יש ספקטרום רציף . בשנת 1914, ג'יימס צ'דוויק השתמש בספקטרומטר מגנטי עם אחד המונים החדשים של הנס גייגר כדי לבצע מדידות מדויקות יותר שהראו שהספקטרום של קרינת בטא הוא רציף . ההתפלגות של אנרגיות חלקיקי בטא הייתה בסתירה לכאורה לחוק שימור האנרגיה. אם התפרקות בטא הייתה פשוט פליטת אלקטרונים, כפי שהניחו באותה עת, אז האנרגיה של האלקטרון הנפלט צריכה להיות בעלת ערך מסוים ומוגדר היטב . עם זאת, עבור התפרקות בטא, ההתפלגות הרחבה של האנרגיות הראתה שבתהליך ההתפרקות בטא אובדת אנרגיה. הספקטרום הזה עורר תמיהה במשך שנים רבות. בעיה שנייה הייתה קשורה לשימור התנע זוויתי. לדוגמה: התנע הזוויתי שנמדד עבור הספין הגרעיני של חנקן-14 היה 1 (כלומר שווה לקבוע פלאנק המופחת). באופן כללי, הספין הוא סכום שלם עבור גרעינים בעלי מסה זוגית וחצי שלם עבור גרעינים בעלי מסה אי זוגית. תופעה זו הוסברה מאוחר יותר על ידי מודל הפרוטון-נייטרון של הגרעין [8]. התפרקות בטא משאירה את המסה של הגרעין ללא שינוי, ולכן השינוי בספין הגרעיני חייב להיות מספר שלם. לעומת זאת, הספין של האלקטרונים בהתפרקות בטא הוא 1/2, ומכאן שתנע זוויתי לא נשמר אם התפרקות בטא הייתה רק פליטת אלקטרונים. משנת 1920 עד 1927, צ'ארלס דראמונד אליס (יחד עם צ'דוויק ועמיתיו) קבע עוד שספקטרום ההתפרקות בטא הוא רציף. בשנת 1933, אליס ונוויל מוט הציגו ראיות חותכות לקיום גבול עליון לאנרגיה בספקטרום בטא. נילס בוהר הציע הסבר לספקטרום הבטא בתנאי ששימור האנרגיה נכון רק במובן סטטיסטי, ולכן עיקרון זה עלול להיות מופר בכל התפרקות.   אך הגבול העליון באנרגיות בטא שנקבע על ידי אליס ומוט שלל את הרעיון הזה. כך הלכה והחריפה הבעיה של השונות באנרגיה של תוצרי התפרקות הבטא, ושימור התנע הקווי והתנע הזוויתי בתהליך. במכתב מפורסם שכתב וולפגנג פאולי ב-1930, הוא ניסה לפתור את חידת האנרגיה של חלקיקי בטא בכך שהציע שבנוסף לאלקטרונים ופרוטונים, גרעיני האטום מכילים גם חלקיק נייטרלי קל במיוחד, שאותו כינה הניטרון. הוא הציע שה"נייטרון" הזה נפלט גם במהלך התפרקות בטא (ובכך אחראי לאנרגיה החסרה הידועה, התנע הקווי והתנע הזוויתי), אבל הוא פשוט עדיין לא נצפה. בשנת 1931, אנריקו פרמי שינה את שם ה"נייטרון" של פאולי ל"נייטרינו" ('נייטרון קטן' באיטלקית). פרמי חקר את קרינת בטא, פליטה של אלקטרונים מגרעין האטום, והציע את הבסיס התאורטי לתופעה: נייטרון, החלקיק שגילה ג'יימס צ'דוויק (Chadwick) ב-1932, מתפרק לפרוטון, אלקטרון, וחלקיק נייטרלי קטן נוסף, שקיבל במעברת פרמי את הכינוי - "נייטרינו". ב-1933 פרסם פרמי את התיאוריה החשובה שלו לגבי התפרקות בטא, שם יישם את עקרונות מכניקת הקוונטים על חלקיקי חומר, בהנחה שניתן ליצור ולאיין אותם, בדיוק כמו קוונטים של האור במעברים אטומיים. לפי פרמי, הנייטרינו נוצרים בתהליך התפרקות הבטא, אינם קיימים בגרעין; וכך גם לגבי האלקטרונים. האינטראקציה של הנייטרינו עם החומר הייתה כל כך חלשה שזיהויו באמצעות ניסיון היה קשה ביותר. עדות עקיפה נוספת לקיומו של הנייטרינו הושגה על ידי צפייה ברתיעה של גרעינים שפלטו, לפי תיאוריה זו, נייטרינו לאחר קליטת אלקטרון. נייטרינו זוהה ישירות רק בשנת 1956 על ידי קלייד קואן ופרדריק ריינס בניסוי הניטרינו של קואן-ריינס . המאפיינים של הנייטרינו היו (עם כמה שינויים קלים) כפי שחזו פאולי ופרמי. הכוח החלש קרינת אלפא קרינת גמא מדיה וקבצים בנושא קרינת בטא בוויקישיתוף קרינת בטא, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Jensen, C. (2000). Controversy and Consensus: Nuclear Beta Decay 1911-1934. Birkhäuser Verlag. ISBN 978-3-7643-5313-1. Chadwick, J. (1914). "Intensitätsverteilung im magnetischen Spektren der β-Strahlen von Radium B + C". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (בגרמנית). 16: 383–391. Brown, L. M. (1978). "The idea of the neutrino". Physics Today. 31 (9): 23–8. Bibcode:1978PhT....31i..23B. doi:10.1063/1.2995181. Cowan, C. L., Jr.; Reines, F.; Harrison, F. B.; Kruse, H. W.; McGuire, A. D. (1956). "Detection of the Free Neutrino: a Confirmation". Science. 124 (3212): 103–104. Bibcode:1956Sci...124..103C. doi:10.1126/science.124.3212.103. PMID 17796274.