Русская Википедия:Бета-распад
Шаблон:Значения Шаблон:Ядерная физика Бе́та-распа́д (Шаблон:Math-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» (Шаблон:Math).
- ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад» (Шаблон:Math).
При электронном распаде возникает антинейтрино, при позитронном распаде — нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда.
Кроме Шаблон:Math и Шаблон:Math-распадов, к бета-распадам относят также электронный захват (Шаблон:Math-захват), в котором ядро захватывает электрон из своей электронной оболочки и испускает электронное нейтрино.
Нейтрино (антинейтрино), в отличие от электронов и позитронов, крайне слабо взаимодействует с веществом и уносят с собой часть доступной энергии распада.
Механизм распада
В Шаблон:Math-распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и электронное антинейтрино:
- <math>n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e</math>.
На фундаментальном уровне (показанном на фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием виртуального [[W- и Z-бозоны|Шаблон:Math-бозона]], который, в свою очередь, распадается на электрон и антинейтрино.
Свободный нейтрон также испытывает Шаблон:Math-распад (см. Бета-распад нейтрона). Это обусловлено тем, что масса нейтрона больше, чем суммарная масса протона, электрона и антинейтрино. Связанный в ядре нейтрон может распадаться по этому каналу только в том случае, если масса материнского атома Шаблон:Math больше массы дочернего атома Шаблон:Math (или, вообще говоря, если полная энергия начального состояния больше полной энергии любого возможного конечного состояния)[2]. Разность Шаблон:Math называется доступной энергией бета-распада. Она совпадает с суммарной кинетической энергией движущихся после распада частиц — электрона, антинейтрино и дочернего ядра (так называемого ядра отдачи, чья доля в общем балансе уносимой кинетической энергии очень мала, поскольку оно значительно массивнее двух других частиц). Если пренебречь вкладом ядра отдачи, то доступная энергия, выделившаяся при бета-распаде, распределяется в виде кинетической энергии между электроном и антинейтрино, причём это распределение непрерывно: каждая из двух частиц может иметь кинетическую энергию, лежащую в пределах от 0 до Шаблон:Math. Закон сохранения энергии разрешает Шаблон:Math-распад лишь при неотрицательном Шаблон:Math
Если распад нейтрона произошёл в ядре атома, то дочерний атом при Шаблон:Math-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 Шаблон:Math-распаде протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:
- <math>p^+ \rightarrow n^0 + e^+ + {\nu}_e.</math>
В отличие от Шаблон:Math-распада, Шаблон:Math-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 Шаблон:Math-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: Шаблон:Math, где Шаблон:Math — масса электрона. Как и в случае Шаблон:Math-распада, доступная энергия Шаблон:Math 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 Шаблон:Math; распад разрешён энергетически лишь при неотрицательном Шаблон:Math.
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 Шаблон:Math-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:
- <math>p^+ + e^- \rightarrow n^0 + {\nu}_e.</math>
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 Шаблон:Math) уносится одной частицей — нейтрино. Поэтому нейтринный спектр здесь представляет собой не гладкое распределение, а моноэнергетическую линию вблизи Шаблон:Math.
Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, процессы бета-распада превращают один химический элемент в другой, соседний по таблице Менделеева. Например:
- <math>\mathrm{^{137}_{55}Cs}\rightarrow\mathrm{^{137}_{56}Ba}+ e^- + \bar{\nu}_e</math> (<math>\beta^-</math>-распад, энергия распада 1175 кэВ[3]),
- <math>\mathrm{~^{22}_{11}Na}\rightarrow\mathrm{~^{22}_{10}Ne} + e^+ + {\nu}_e</math> (<math>\beta^+</math>-распад),
- <math>\mathrm{~^{22}_{11}Na} + e^- \rightarrow\mathrm{~^{22}_{10}Ne} + {\nu}_e</math> (электронный захват).
Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре Шаблон:Math, но меняет только его заряд Шаблон:Math (а также число нейтронов Шаблон:Math). Таким образом, может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым Шаблон:Math, но различными Шаблон:Math и Шаблон:Math (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 Шаблон:Math, соседние ядра Шаблон:Math и Шаблон:Math имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в Шаблон:Math, 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 1,277Шаблон:E 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
Шаблон:Main Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад (Шаблон:Math-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 Шаблон:Math- и Шаблон:Math-распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких Шаблон:Math-распадов. Таким образом, Шаблон:Math-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет Шаблон:Math; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным Шаблон:Math 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 — ½. 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
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Ерозолимский Б.Г.Бета-распад нейтрона. УФН. 1975. Том 116. С. 145–164
- ↑ 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.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Назван в честь Франца Кюри (Franz N. D. Kurie), американского физика, не являющегося ни родственником, ни однофамильцем Пьера и Марии Кюри (Curie).
- ↑ Книга:Физическая энциклопедия
- ↑ Шаблон:Книга
