Beta rozpad

Beta rozpad alebo vhodnejšie premena beta (iné názvy pozri nižšie) je typ rádioaktívneho rozpadu. Vznikajú pri ňom tzv. častice beta.

Existujú dva druhy beta rozpadu. Pri beta mínus rozpade sa neutrón premieňa na protón, pričom je emitovaný elektrón a elektrónové antineutríno. Pri beta plus rozpade sa protón premieňa na neutrón, pričom emituje pozitrón a elektrónové neutríno. Za beta rozpad je zodpovedná slabá interakcia.

Názvy 
Jazykové varianty vyššie uvedených názvov sú:
beta-rozpad, β-rozpad, β rozpad, betarozpad, rozpad beta, rozpad β
premena β, beta premena, beta-premena, β-premena, β premena, betapremena [namiesto slova premena je zriedkavo slovo transmutácia].

Teoretický opis beta rozpadu 

Zjednotená teória elektroslabej interakcie vysvetľuje beta mínus rozpad neutrónu takto: jeden z down kvarkov neutrónu sa premieňa na up kvark, čím dôjde k premene neutrónu na protón. Pri tom je emitovaný W- bozón, ktorý sa následne rozpadá na pár elektrón a elektrónové antineutríno. Tento proces sa obvykle v časticovej fyzike znázorňuje pomocou Feynmanovho diagramu.

Beta rozpad voľného neutrónu a protónu 

 β- rozpad voľného neutrónu

 .

 β+ rozpad voľného protónu

 .

Voľný neutrón sa rozpadá pri β rozpade s polčasom rozpadu 10,6 min. Tento proces prebieha spontánne, teda bez dodávania energie. Naopak beta plus rozpad voľného protónu musí byť vyvolaný dodaním energie, pretože pokojová hmotnosť neutrónu je vyššia ako pokojová hmotnosť protónu.

Beta rozpad prvkov 
Ak je protón alebo neutrón časťou atómového jadra, potom dochádza beta rozpadom k transmutácii jedného jadra na iné. Beta plus rozpadom sa nestabilné materské jadro premieňa na dcérske jadro s protónovým číslom o jedna menším, teda na nasledujúce ľahšie jadro. Naopak beta mínus rozpadom sa nestabilné materské jadro premieňa na jadro s protónovým číslom o jedna väčším, teda na nasledujúce ťažšie dcérske jadro. V druhom príklade dochádza na rozdiel od voľného protónu k beta plus rozpadu spontánne. To je možné práve preto, že väzbová energia dcérskeho jadra je menšia ako energia materskeho jadra.

 (beta minus)

 (beta plus)

Ak je β+ rozpad jadra daného atómu dovolený energeticky, môže byť tento rozpad doprevádzaný elektrónovým záchytom, kedy je elektrón z atómového obalu zachytený jadrom, pričom sa emituje neutríno:

 (elektrónový záchyt)

V prípade, že energetický rozdiel medzi počiatočným a konečným stavom je malý, nemusí byť elektrónový záchyt doprevádzaný emisiou neutrína.

Beta spektrum 

Beta spektrom nazývame energetické spektrum elektrónov, produkovaných pri beta mínus rozpade daného prvku (pozri obrázok vedľa). Toto spektrum je spojité, to znamená v rozmedzí od nulovej do maximálnej kinetickej energie, môže nadobúdať elektrón všetky možné hodnoty energie. Tieto elektróny označujeme často ako beta elektróny. Daný prvok sa môže rozpadať viacerými procesmi, produkujúcimi beta elektróny. 
Napríklad žiarič 137Cs sa rozpadá pomocou dvoch procesov. Dominantný proces (94,6% prípadov) je premena na metastabilný izomér bária, pričom je emitovaný elektrón s maximálnou energiou 511,6 keV. Bárium-137m sa následne premieňa na 137Ba, pričom vzniká gama žiarenie o energii 661,7 keV. Základný stav 137Ba je stabilný. V druhom procese (5,4% prípadov) sa rádioizotop 137Cs premení priamo na stabilné 137Ba, pričom je emitovaný elektrón o maximálnej energii 1 173,2 keV.

Fermiho graf 

Zaveďme bezrozmerné veličiny:

Kde:
 E je energia elektrónu, kde  je maximálna možná energia elektrónu
 m je pokojová hmotnosť neutrónu
 c je rýchlosť svetla

S využitím týchto veličín môžeme energetické spektrum beta elektrónov popísať nasledovne:
	 	

Kde:
 N vyjadruje početnosť beta elektrónov pri danej energii, v tomto prípade je to relatívna veličina, nemusí byť celočíselná
  je fermiho funkcia
				 
Fermiho funkcia popisuje vplyv elektromagnetickej sily, pôsobiacej na elektrón pri beta rozpade. Ako jej dobrá aproximácia sa môže použiť:

Kde:
  je konštanta jemnej štruktúry
 Z je protónové číslo rozpadajúceho sa atómu
  je pomer rýchlosti beta elektrónu ku rýchlosti svetla

Nech

  

Následným vynesením závislosti f na \epsilon by sme v ideálnom prípade mali dostať priamku (pozri obrázok vedľa}, ktorá sa naýva Fermiho grafom (občas tiež Kurieho graf). Priesečník tejto priamky s osou x udáva maximálnu možnú energiu elektrónu, z ktorej môžeme teoreticky určiť pokojovú hmotnosť neutrína.

História 
Ernest Rutherford a Frederick Soddy v roku 1903 vyslovili hypotézu, v ktorej Becquerelom objavenú prirodzenú rádioaktivitu (1896) vysvetľujú pomocou premeny prvkov. Vychádzajúc z tejto hypotézy v roku 1913 formulovali Kasimir Fajan a Soddy pravidlá rádioaktívnych prechodov, v ktorých vysvetlili pozorované prirodzené rozpadové rady pomocou alfa a beta rozpadov. V roku 1911 Lisa Meitner and Otto Hahn experimentálne poukázali na to, že energetické spektrum elektrónov emitovaných pri beta rozpade je kontinuálne, a nie diskrétne. V tomto expeimente neboli detegované neutrína, ktoré dovtedy neboli ani objavené ani teoreticky predpovedané. Kontinuálne spektrum beta rozpadu tak bolo v rozpore so zákonom zachovania energie. Druhý problém spočíval v tom, že atóm N-14 mal spin 1, čo bolo v rozpore s predpoveďou spinu ½ pochádzajúcou od Ernesta Rutherforda. výsledky tohto experimentu boli definitívne potvrdené v nasledujúcom období rokov 19201927, Charlesom Drummondom Ellisom (spoločne s Jamesom Chadwickom a kolegami). Riešenie oboch problémov navrhol v roku 1930 Wolfgang Pauli, ktorý predpovedal existenciu ľahkej neutrálnej častice, ktorú nazval "neutrón". V roku 1931 Enrico Fermi premenoval Pauliho neutrón na neutríno a v roku 1934 publikoval teoretický model 
beta rozpadu, ktorý úspešne vysvetlil pozorované javy (v súčasnosti je tento model už prekonaný).
β+-rozpad pozorovali v roku 1934 Irène a Frédéric Joliot-Curie. V roku 1956 Wu Ťien-siung experimentálne preukázala naručenie parity v beta rozpade. Tento efekt teoreticky predpovedali Tsung-Dao Lee a Chen Ning Yang.

Referencie

Rádioaktivita