Меню Главная Случайная статья Настройки Бета-распад Материал из https://ru.wikipedia.org Бета-распад (-распад) — тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа[1]. При этом распаде ядро излучает электрон или позитрон (бета-частицу), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино). Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов: ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино — «бета-минус-распад» ( ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад» ( При электронном распаде возникает антинейтрино, при позитронном распаде — нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда. Кроме Нейтрино (антинейтрино), в отличие от электронов и позитронов, крайне слабо взаимодействуют с веществом и уносят с собой часть доступной энергии распада. Содержание 1 Механизм распада 2 График Кюри 3 Двойной бета-распад 4 История 5 См. также 6 Примечания 7 Литература Механизм распада В ${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$. На фундаментальном уровне (показанном на фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием виртуального , который, в свою очередь, распадается на электрон и антинейтрино. Свободный нейтрон также испытывает Если распад нейтрона произошёл в ядре атома, то дочерний атом при -распаде обычно возникает в виде однократно заряженного положительного иона, поскольку ядро увеличивает свой заряд на единицу, а количество электронов в оболочке остаётся прежним. Устойчивое состояние электронной оболочки такого иона может отличаться от состояния оболочки материнского атома, поэтому после распада происходит перестройка электронной оболочки, сопровождающаяся излучением фотонов. Кроме того, возможен бета-распад в связанное состояние, когда вылетевший из ядра электрон с низкой энергией захватывается на одну из орбиталей оболочки; в этом случае дочерний атом остаётся нейтральным. В +-распаде протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино: ${\displaystyle p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.}$ В отличие от -распада, +-распад не может происходить вне ядра, поскольку масса свободного протона меньше массы нейтрона (распад мог бы идти только в том случае, если бы масса протона превосходила суммарную массу нейтрона, позитрона и нейтрино). Протон может распадаться по каналу +-распада лишь внутри ядер, когда абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц. Энергетический баланс при позитронном распаде выглядит следующим образом: (Mi Mf 2me)·c2 = Q, где me — масса электрона. Как и в случае -распада, доступная энергия Q распределяется между позитроном, нейтрино и ядром отдачи (на долю последнего приходится лишь малая часть); кинетическая энергия позитрона и нейтрино распределены непрерывно в пределах от 0 до Q; распад разрешён энергетически лишь при неотрицательном Q. При позитронном распаде дочерний атом возникает в виде отрицательного однозарядного иона, поскольку заряд ядра уменьшается на единицу. Один из возможных каналов позитронного распада — аннигиляция появившегося позитрона с одним из электронов оболочки. Во всех случаях, когда +-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра, несущего электронные оболочки либо находящегося в плазме со свободными электронами), он сопровождается конкурирующим процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино: ${\displaystyle p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+{\nu }_{e}.}$ Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь позитронным распадом; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии. В отличие от ранее рассмотренных электронного и позитронного бета-распада, в электронном захвате вся доступная энергия (кроме кинетической энергии ядра отдачи и энергии возбуждения оболочки Ex) уносится одной частицей — нейтрино. Поэтому нейтринный спектр здесь представляет собой не гладкое распределение, а моноэнергетическую линию вблизи Q. Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, процессы бета-распада превращают один химический элемент в другой, соседний по таблице Менделеева. Например: ${\displaystyle \mathrm {^{137}_{55}Cs} \rightarrow \mathrm {^{137}_{56}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$ (${\displaystyle \beta ^{-}}$-распад, энергия распада 1175 кэВ[3]), ${\displaystyle \mathrm {~_{11}^{22}Na} \rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +e^{+}+{\nu }_{e}}$ (${\displaystyle \beta ^{+}}$-распад), ${\displaystyle \mathrm {~_{11}^{22}Na} +e^{-}\rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +{\nu }_{e}}$ (электронный захват). Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A, но меняет только его заряд Z (а также число нейтронов N). Таким образом, может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A, но различными Z и N (изобарная цепочка); эти изобарные нуклиды могут последовательно превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы избытка массы: если такое ядро имеет числа (A, Z), соседние ядра (A, Z 1) и (A, Z + 1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A, Z), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза. Например, 40K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1,277109 лет. Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми. В зависимости от ориентации спинов образующихся частиц выделяют два варианта бета-распада. Если спины образующихся при бета-распаде электрона и антинейтрино параллельны (на примере бета-минус распада), то происходит переход типа Гамова — Теллера. Если спины электрона и антинейтрино ориентированы противоположно, происходит переход типа Ферми[4] (см. взаимодействие Ферми). График Кюри График Кюри[5] (известен также как график Ферми) — диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц с данной энергией, делённая на функцию Ферми. Для разрешённых (и некоторых запрещённых) бета-распадов график Кюри линеен (прямая линия, наклонённая в сторону роста энергии). Если нейтрино имеют конечную массу, то график Кюри вблизи точки пересечения с осью энергии отклоняется от линейного, благодаря чему появляется возможность измерить массу нейтрино. Двойной бета-распад Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад (-распад), при котором заряд ядра меняется не на одну, а на две единицы. В самых практически интересных случаях такие ядра бета-стабильны (то есть простой бета-распад энергетически запрещён), поскольку когда - и -распады оба разрешены, вероятность -распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких -распадов. Таким образом, -распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным A должен быть стабильным по отношению как к простому, так и к двойному бета-распаду. История Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому свидетельству существования нейтрино. В 1914 году Дж. Чедвик экспериментально показал, что энергии электронов, испускаемых при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр. Это находилось в очевидном противоречии с законом сохранения энергии, поскольку получалось, что часть энергии терялась в процессах бета-распада. Вторая проблема заключалась в том, что спин атома азота-14 был равен 1, что противоречило предсказанию Резерфорда — . В известном письме, написанном в 1930 году, Вольфганг Паули предположил, что, помимо электронов и протонов, атомы содержат очень лёгкую нейтральную частицу, которую он назвал нейтроном. Он предположил, что этот «нейтрон» испускается при бета-распаде и раньше просто не наблюдался. В 1931 году Энрико Ферми переименовал «нейтрон» Паули в нейтрино, и в 1934 году Ферми опубликовал очень удачную модель бета-распада, в которой участвовали нейтрино[6]. Процесс позитронного бета-распада был открыт Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри в 1934 году. Явление электронного захвата было впервые обнаружено в 1937 году Л. Альваресом[7]. См. также Бета-распад нейтрона Обратный бета-распад Двойной бета-распад Позитронная эмиссия Электронный захват Примечания В соответствии с правилом радиоактивных смещений Содди и Фаянса. Например, дейтерий, ядро которого состоит из протона и нейтрона, бета-стабилен; нейтрон в нём не может самопроизвольно распасться в протон+электрон+антинейтрино, поскольку энергия любых возможных конечных состояний больше энергии покоящегося атома дейтерия. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 20 февраля 2016. Архивировано 16 октября 2005 года. Бета-распад  (неопр.). Ядерная физика в интернете. МГУ (17 ноября 2015). Дата обращения: 19 апреля 2016. Архивировано 6 января 2022 года. Назван в честь Франца Кюри (Franz N. D. Kurie), американского физика, не являющегося ни родственником, ни однофамильцем Пьера и Марии Кюри (Curie). Г. Т. Зацепин, А. Ю. Смирнов. Нейтрино // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М.: «Просвещение», 1984. — С. 191. Литература Ву Ц. С., Мошковский С. А. Бета-распад. — М.: Атомиздат, 1970. — 397 с. Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М.: Физматлит, 1959. — 471 с. — 18 000 экз. Челлен Г. Физика элементарных частиц. — М.: Наука, 1966. — 556 с. — 8000 экз. Соловьёв В.Г. Теория атомного ядра: Квазичастицы и фононы. — Энергоатомиздат, 1989. — С. 103, 111, 112, 123, 138, 147, 208, 274, 288. — 304 с. — ISBN 5-283-03914-5. Ерозолимский Б.Г.Бета-распад нейтрона. УФН. 1975. Том 116. С. 145–164