Бэта-распад

Бэта-распад (β-распад) — тып радыеактыўнага распаду, абумоўлены слабым узаемадзеяннем. Ён змяняе зарад ядра на адзінку без змены масавага ліку. Пры гэтым ядро выпраменьвае бэта-часціцу (электрон або пазітрон), а таксама нейтральную фундаментальную часціцу з паўцэлым спінам (электроннае антынейтрына або электроннае нейтрына, адпаведна). Калі распад адбываецца з выпусканнем электрона і антынейтрына ён называецца «бэта-мінус-распадам» (β-). У выпадку распаду з выпусканнем пазітрона і нейтрына — «бэта-плюс-распадам» (β+). Акрамя β- і β+-распадаў, да бэта-распада адносяць таксама электронны захват, калі ядро захоплівае атамны электрон і выпускае электроннае нейтрына. Нейтрына (антынейтрына), у адрозненне ад электронаў і пазітронаў, вельмі слаба ўзаемадзейнічае з рэчывам і пакідае кропку распаду, выносячы з сабой частку энергіі, што вылучылася пры распадзе.

 Механізм распада 
міні|right|200px|Бэта-мінус-распад атамнага ядра

У β--распадзе слабае ўзаемадзеянне ператварае нейтрон ў пратон, пры гэтым выпускаюцца электрон і электроннае антынейтрына:



На фундаментальным узроўні (паказаным на Фейнманаўскай дыяграме) гэта абумоўлена ператварэннем d-кварка ў u-кварк з выпусканнем віртуальнага W-базона, які, у сваю чаргу, распадаецца на электрон і антынейтрына.

Свабодны нейтрон таксама адчувае -распад (гл. Бэта-распад нейтрона). Гэта абумоўлена тым, што маса нейтрона больш, чым сумарная маса пратона, электрона і антынейтрына. Звязаны ў ядры нейтрон можа распадацца па гэтым канале толькі ў тым выпадку, калі маса мацярынскага атама  больш масы даччынага атама  (ці, наогул кажучы, калі поўная энергія пачатковага стану менш поўнай энергіі любога магчымага канчатковага стану)Напрыклад, дэйтэрый, ядро якога складаецца з пратона і нейтрона, бэта-стабільны; нейтрон ў ім не можа самаадвольна распасціся у пратон + электрон + антынейтрына, паколькі энергія любых магчымых канчатковых станаў больш энергіі атама дэйтэрыя, які знаходзіцца ў стане пакою.. Рознасць  называецца даступнай энергіяй бэта-распаду. Яна супадае з сумарнай кінетычнай энергіяй часціц, якія рухаюцца пасля распаду — электрона, антынейтрына і даччынага ядра (так званага ядра аддачы, чыя доля ў агульным балансе кінетычнай энергіі вельмі малая, паколькі яно значна масіўней дзвюх іншых часціц). Калі не ўлічваць уклад ядра аддачы, то даступная энергія, якая вылучылася пры бэта-распадзе, размяркоўваецца ў выглядзе кінетычнай энергіі паміж электронам і антынейтрына, прычым гэта размеркаванне неперарыўнае: кожная з дзвюх часціц можа мець кінетычную энергію, якая ляжыць у межах ад 0 да . Закон захавання энергіі дазваляе -распад толькі пры неадмоўным 

Даччыны атам пры -распадзе звычайна ўзнікае ў выглядзе аднакратна зараджанага дадатнага іона, бо ядро павялічвае свой зарад на адзінку, а колькасць электронаў у абалонцы застаецца ранейшай. Устойлівы стан электроннай абалонкі такога іона можа адрознівацца ад стану абалонкі мацярынскага атама, таму пасля распаду адбываецца перабудова электроннай абалонкі. Акрамя таго, магчымы бэта-распад у звязаны стан, калі электрон з нізкай энергіяй, які вылецеў з ядра, захопліваецца на адну з арбіталей абалонкі; у гэтым выпадку даччыны атам застаецца нейтральным.

У -распадзе пратон ў ядры ператвараецца ў нейтрон, пазітрон і нейтрына:



У адрозненне ад -распаду, -распад не можа адбывацца па-за ядра, паколькі маса свабоднага пратона менш масы нейтрона (распад мог бы ісці толькі ў тым выпадку, калі б маса пратона пераўзыходзіла сумарную масу нейтрона, пазітрона і нейтрына). Пратон можа распадацца па канале -распаду толькі ўнутры ядраў, калі абсалютнае значэнне энергіі сувязі даччынага ядра больш энергіі сувязі мацярынскага ядра. Рознасць паміж двума гэтымі энергіямі ідзе на ператварэнне пратона ў нейтрон, пазітрон і нейтрына і на кінетычную энергію атрыманых часціц. Энергетычны баланс пры пазітронным распадзе выглядае наступным чынам: , дзе  — маса электрона . Як і ў выпадку -распаду, даступная энергія  размяркоўваецца паміж пазітронам, нейтрына і ядром аддачы (на долю апошняга прыходзіцца толькі малая частка); кінетычная энергія пазітрона і нейтрына размеркаваны бесперапынна ў межах ад 0 да ; распад дазволены энергетычна толькі пры неадмоўным .

Пры пазітронеым распадзе даччыны атам ўзнікае ў выглядзе адмоўнага адназарадная іона, паколькі зарад ядра памяншаецца на адзінку. Адзін з магчымых каналаў пазітронаў распаду — анігіляцыя пазітрона, які з’явіўся, з адным з электронаў абалонкі.

Ва ўсіх выпадках, калі -распад энергетычна магчымы (і пратон з’яўляецца часткай ядра, якое нясе электронныя абалонкі альбо знаходзіцца ў плазме са свабоднымі электронамі), ён суправаджаецца канкуруючым працэсам электроннага захвату, пры якім электрон атама захопліваецца ядром з выпусканнем нейтрына:



Але калі рознасць мас пачатковага і канчатковага атамаў малая (менш падвоенай масы электрона, гэта значыць 1022 кэВ), то электронны захват адбываецца, не суправаджаючыся пазітронным распадам; апошні ў гэтым выпадку забаронены законам захавання энергіі. У адрозненне ад раней разгледжаных электроннага і пазітроннага бэта-распаду, у электронным захваце ўся даступная энергія (акрамя кінетычнай энергіі ядра аддачы і энергіі ўзбуджэння абалонкі ) выносіцца адной часціцай — нейтрына. Таму нейтрынны спектр тут уяўляе з сябе не гладкае размеркаванне, а монаэнергетычную лінію паблізу .

Калі пратон і нейтрон з’яўляюцца часткамі атамнага ядра, працэсы бэта-распаду ператвараюць адзін хімічны элемент у іншы, суседні па табліцы Мендзялеева. Напрыклад:

  (-распад),

  (-распад),

  (электронны захват).

Бэта-распад не мяняе лік нуклонаў ў ядры , але мяняе толькі яго зарад  (а таксама лік нейтронаў ). Такім чынам, можа быць уведзены набор усіх нуклідаў з аднолькавым , але рознымі  і  (ізабарны ланцужок); гэтыя ізабарныя нукліды могуць паслядоўна ператварацца адзін у аднаго пры бэта-распадзе. Сярод іх некаторыя нукліды (па меншай меры, адзін) бэта-стабільныя, паколькі яны ўяўляюць сабой лакальныя мінімумы лішку масы: калі такое ядро мае лік ), суседнія ядра  і  маюць большы лішак масы і могуць распадацца з дапамогай бэта-распаду ў (, але не наадварот. Неабходна заўважыць, што бэта-стабільнае ядро можа распадацца іншымі спосабамі (альфа-распадам, напрыклад). Большасць ізатопаў, якія існуюць у прыродных умовах на Зямлі, бэта-стабільныя, але існуе некалькі выключэнняў з такімі вялікімі перыядамі паўраспаду, што яны не паспелі знікнуць за прыкладна за 4,5 млрд гадоў, якія прайшлі з моманту ядзернага сінтэзу. Напрыклад, 40K, які можа распадацца па любым з трох тыпаў бэта-распаду (бэта-мінус, бэта-плюс і электронны захват), мае перыяд паўраспаду 1,277 гадоў.

Бэта-распад можна разглядаць як пераход паміж двума квантавамеханічнымі станамі, абумоўлены ўзбурэннем, таму ён падпарадкоўваецца .

 Графік Кюры 

Графік Кюры (вядомы таксама як графік Фермі) — дыяграма, якая выкарыстоўваецца для вывучэння бэта-распаду. Гэта энергетычная залежнасць квадратнага кораня з колькасці выпрамененых бэта-часціц з дадзенай энергіяй, дзялення на функцыю Фермі. Для дазволеных (і некаторых забароненых) бэта-распадаў графік Кюры лінейны (прамая лінія, нахіленая ў бок росту энергіі). Калі нейтрына маюць канчатковую масу, то графік Кюры паблізу пункту перасячэння з воссю энергіі асобай лінейны, дзякуючы чаму з’яўляецца магчымасць вымераць масу нейтрына.

 Двайны бэта-распад 

Некаторыя ядра могуць адчуваць двайны бэта-распад (-распад), пры якім зарад ядра мяняецца не на адну, а на дзве адзінкі. У самых практычна цікавых выпадках такія ядра бэта-стабільныя (г.зн. просты бэта-распад энергетычна забаронены), паколькі калі β- і ββ-распаду абодва дазволеныя, імавернасць β-распаду (звычайна) нашмат больш, замінаючы даследаванням вельмі рэдкіх -распадаў. Такім чынам, -распад звычайна вывучаецца толькі для бэта-стабільных ядраў. Як і просты бэта-распад, двайны бэта-распад не мяняе ; такім чынам, як мінімум адзін з нуклідаў з дадзеным  павінен быць стабільным ў адносінах як да простага, так і да падвойнага бэта-распаду.

 Гл. таксама 

 Бэта-распад нейтрона
 Двайны бэта-распад
 Зваротны бэта-распад
 Нейтрына
 Пазітронны распад
 Электронны захват
 Радыеактыўны ізатоп

Катэгорыя:Радыеактыўнасць