Particulă beta

Particulele beta ( în engleză  beta particles , germană  Betateilchen , β-particles ) sunt electroni și pozitroni care zboară din nucleele atomice ale unor substanțe radioactive în timpul dezintegrarii beta radioactive . Direcția de mișcare a particulelor beta este modificată de câmpurile magnetice și electrice , ceea ce indică prezența unei sarcini electrice în ele. Vitezele electronilor ajung la 0,998 viteza luminii . Particulele beta ionizează gazele , provoacă luminiscența multor substanțe care acționează asupra filmelor fotografice. Fluxul particulelor beta se numește radiație beta.

Particulele beta sunt particule încărcate și, prin urmare, interacționează intens cu materia pe toată lungimea traseului lor. Ei lasă în urmă o urmă de atomi și molecule ionizate . Când este detectată în camerele cu nori și camerele cu bule într-un câmp magnetic , pista se răsucește, permițând particulelor beta să fie identificate prin raportul lor încărcare- masă .

Se știe că peste 1500 de nuclee emit particule beta în timpul dezintegrarii [1] .

Istorie

După descoperirea de către Henri Becquerel în 1896 a radiațiilor radioactive, au început cercetările sale active. În 1899, Ernest Rutherford a publicat o lucrare în care a arătat că există mai multe tipuri de particule emise: particule grele, încărcate pozitiv, cu putere de penetrare scăzută, numite radiații alfa , și particule ușoare, încărcate negativ, cu o rază de o sută de ori mai mare în materie. pe care a numit-o radiație beta. În 1900, Becquerel, măsurând raportul dintre sarcina particulelor beta și masa lor, a arătat că aceste particule sunt electroni.

În 1930, în timp ce dezvolta teoria dezintegrarii beta , Enrico Fermi a propus că particulele beta nu sunt conținute în nucleu, ci sunt produse prin dezintegrarea unui neutron. Teoria lui Fermi a devenit mai târziu baza pentru construirea teoriilor moderne ale interacțiunii slabe .

Tipuri de particule beta

Există două tipuri de dezintegrare beta și, în consecință, două tipuri de particule beta, care se formează:

• β - particulă - electron . Se formează în timpul dezintegrarii unui neutron conform schemei , unde n este un neutron, p +  este un proton , e -  este un electron,  este un antineutrin. Conform acestei scheme, se descompun atât neutronii liberi, cât și mulți izotopi naturali cu un exces de neutroni.
• β + particule - pozitron . Se formează în timpul dezintegrarii unui proton conform schemei . Conform acestei scheme, nucleele grele se descompun.

Surse de radiații

Direct, particulele beta se formează în timpul dezintegrarii unui bozon W -- încărcat virtual într-un electron și un antineutrin. Un boson, la rândul său, se formează prin dezintegrarea unui cuarc d, care se află într-un neutron, într-un cuarc u și un boson W. În cazul dezintegrarii pozitronilor, toate aceste reacții au loc cu semne opuse: cuarcul u din proton se descompune odată cu formarea unui cuarc d și a unui boson W + , care se descompune într-un pozitron și un neutrin.

În timpul dezintegrarii beta, pe lângă particulele beta, se formează adesea și cuante gamma, astfel încât emițătorii beta puri au o aplicație practică mai largă. Acestea includ nuclizi [2] :

• Hidrogen-3 ( tritiu )
• Fier-55
• Nichel-63
• Krypton-85
• Stronțiu-90
• ytriu-90
• Ruteniu-106
• Rodiu-106
• Ceriu-144
• Praseodimiu-144
• Prometiu-147
• Taliu-204
• Plutoniu-238

si altii.

Din punct de vedere structural, sursele de particule beta sunt o capsulă care conține un izotop radioactiv și o gaură prin care sunt emise particule.

Spectrul

Spre deosebire de particulele alfa , al căror spectru are vârfuri pronunțate, spectrul particulelor beta este continuu. Acest lucru se datorează faptului că în timpul dezintegrarii bosonului W , energia este distribuită între cele două produse ale acestei dezintegrare în mod arbitrar și este posibilă orice combinație de energii neutrini și electroni. Energia maximă a unei particule beta depinde de tipul dezintegrarii și este egală cu [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 pentru β - și [M (A, Z) ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 pentru β + , unde M (A, Z) este masa nucleului nuclidic cu numărul de serie Z și numărul de nucleoni din nucleul A [3] .

Energia maximă a particulelor beta variază de la 18,6 kiloelectronvolți (desintegrare a tritiului ), până la 20 MeV (desintegrare litiu-11)

De asemenea, gama de energie a particulelor beta este deplasată din cauza acțiunii forțelor Coulomb care încetinesc electronii și accelerează pozitronii.

Spectrul energetic specific al particulelor beta este descris de următoarea ecuație [4] :

unde γ este energia în unități de mc 2, adică E/mc 2 , N (γ) dγ este fracția de nuclee care emit particule beta cu energie γ pe unitatea de timp, f (Z, γ) este o funcție care exprimă acțiunea lui Forțele Coulomb asupra particulei, | m | 2  - pătratul elementului matricei determină probabilitatea de dezintegrare, γ 0  este energia de dezintegrare limită, iar G este o constantă.

În unele cazuri, dezintegrarea beta are loc odată cu excitarea stării nucleului, a cărui energie este apoi transferată la electroni din învelișul de electroni a atomului. Acest fenomen se numește conversie internă . În acest caz, spectrul particulelor beta are mai multe vârfuri pronunțate [5] .

Spectrul particulelor beta este examinat folosind un spectrometru beta .

Interacțiunea cu materia

Durata medie a rulării

Particulele beta interacționează cu electronii și nucleii din materie până când se opresc. Gama particulelor beta depinde de energia lor. Intervalul efectiv (grosimea stratului de substanță, care oprește aproape toate particulele) este prezentat în tabelul [6] :

În majoritatea cazurilor, un ecran de plexiglas cu grosimea de 1–2 cm [7] sau o foaie de metal cu grosimea de 3–5 mm este suficient pentru a proteja împotriva particulelor beta.

Interacțiunea cu învelișurile de electroni

În ciocnirile cu atomii, o particulă beta poate ioniza un atom sau îl poate transfera într-o stare excitată. Ambele evenimente au probabilități aproximativ egale, iar energia pierdută în acest fel se numește pierdere de ionizare.

Pierderea medie de energie a unui electron la trecerea printr-un strat de materie simplă poate fi exprimată prin următoarea formulă, descoperită de Landau [5] :

unde Δx este grosimea stratului de substanță, ρ este densitatea substanței, β este viteza electronilor în unități de c, Z și A sunt sarcina și masa elementului.

Cu toate acestea, această formulă trebuie aplicată cu prudență la particulele beta reale, deoarece descrie un fascicul de electroni monocrom, iar în fasciculul lor natural există întotdeauna electroni de diferite energii, care vor încetini la viteze diferite.

Interacțiunea cu nucleele atomice

Când interacționează cu un nucleu , electronii pot fi împrăștiați o dată sau de mai multe ori în câmpul Coulomb al nucleului. O caracteristică a particulelor beta este că, datorită masei lor mici, impulsul lor se poate schimba foarte mult în timpul împrăștierii, ceea ce duce la bremsstrahlung . Pentru electronii de înaltă energie, o astfel de radiație este un canal de pierdere de energie mai semnificativ [6] . Cuantele gamma emise pot, la rândul lor, să elimine electronii, ceea ce duce la formarea de cascade de electroni în materie. Energia particulelor beta, la care pierderile de radiație se egalează cu pierderile de ionizare, se numește energie critică. În funcție de substanță, energia critică poate varia de la 83 MeV (aer) la 7 MeV (plumb) - astfel, deoarece energia particulelor produse de degradarea beta depășește rar 5 MeV, acest canal nu este cel principal.

Datorită împrăștierii pe nuclee, particulele beta își schimbă puternic direcția mișcării: unghiul mediu de deviere al unei particule beta este proporțional cu rădăcina pătrată a grosimii stratului trecut de materie, iar cu un strat suficient de gros, nu este mai mult posibil să vorbim despre direcția mișcării electronilor, iar mișcarea lor este mai mult ca difuzia [5] .

Radiația Cherenkov

Deoarece vitezele particulelor beta, de regulă, sunt apropiate de viteza luminii, atunci când intră într-un mediu transparent, se mișcă mai repede decât lumina în acest mediu, ceea ce duce la apariția radiației Cherenkov. O astfel de radiație este caracteristică, de exemplu, reactoarelor nucleare care folosesc apa ca moderator de neutroni.

Backscatter

De asemenea, atunci când particulele beta lovesc suprafața unui material, unele dintre ele sunt reflectate la unghiuri mari (> 90 °). Acest fenomen se numește backscattering . Partea particulelor reflectată la unghiuri mari după căderea pe suprafața unei substanțe se numește coeficient de retroîmprăștiere. Acest coeficient depinde calitativ de numărul atomic al substanței, de energia particulelor incidente și de grosimea stratului de substanță, după cum urmează [5] :

1. Crește proporțional cu sarcina nucleului până la puterea de 2/3
2. Ea crește proporțional cu grosimea stratului de substanță, până când devine egală cu aproximativ 1/5 din lungimea căii efective a particulelor beta din această substanță, după care creșterea ulterioară încetează să afecteze coeficientul. Această grosime se numește grosime de saturație.
3. Crește odată cu creșterea energiei maxime a particulelor beta până la 0,6 MeV, după care rămâne practic neschimbată.

Detectarea particulelor beta

Principala modalitate de a detecta particulele beta este măsurarea ionizării pe care acestea o creează [5] . Pentru detectarea particulelor cu energii relativ scăzute, cele mai frecvente sunt contoarele umplute cu gaz (cum ar fi contorul Geiger-Muller ) sau contoarele cu stare solidă. Pentru a detecta electronii de energii superioare, se folosesc contoare care înregistrează radiația Cherenkov creată de particulele rapide.

Utilizare

Terapia beta

Particulele beta sunt folosite în medicină - iradierea cu electroni produși în timpul dezintegrarii beta. Terapia beta este un tip de radioterapie și este utilizată pentru a trata tumorile și alte modificări patologice ale țesuturilor. Există mai multe forme de beta-terapie: aplicatoare radiante pot fi aplicate pe zonele afectate ale corpului, sau soluții care conțin izotopi radiativi pot fi administrate intracavitar [8] .

Măsurarea grosimii straturilor subțiri

Folosind fenomenul de retroîmprăștiere, este posibil să se determine foarte precis grosimea straturilor subțiri de materie, cum ar fi hârtia - până la o anumită valoare, numărul de electroni reflectați crește proporțional cu grosimea stratului de materie. De asemenea, astfel de măsurători pot fi efectuate prin măsurarea proporției de particule beta absorbite de substanță [9] . Cu ajutorul retroîmprăștierii, se poate măsura și grosimea stratului de acoperire fără a o deteriora [5] .

Iluminare de fundal

Deoarece particulele beta provoacă o strălucire atunci când lovesc o suprafață acoperită cu un fosfor , ele sunt folosite pentru a crea surse de lumină foarte durabile: pentru a face acest lucru, o cantitate mică de izotop emitent (de exemplu, tritiu ) este aplicată pe suprafață care va servește ca sursă de lumină și, în plus, este acoperit cu un fosfor. Particulele beta emise de izotop fac ca suprafața să strălucească timp de zeci de ani. Astfel, deseori sunt evidențiate acționările ceasurilor și ale altor dispozitive [10] .

Efecte asupra corpului

Particulele beta sunt bine reținute de îmbrăcăminte, deci sunt periculoase, în primul rând, dacă ajung pe piele sau în interiorul corpului. Așa că, după dezastrul de la Cernobîl , oamenii au avut arsuri beta la picioare pentru că mergeau desculți [7] .

Principalul factor în influența radiațiilor beta asupra organismului este ionizarea pe care o creează. Poate duce la tulburări metabolice în celulă și în continuare la moartea acesteia. Mai ales periculoasă este eliberarea energiei particulelor beta lângă molecula de ADN , ceea ce duce la mutații potențial periculoase din punct de vedere oncologic [11] . În cazul dozelor mari de radiații, moartea simultană a unui număr mare de celule din țesuturi poate provoca modificări patologice ale acestora ( radiații ). Cele mai vulnerabile la radiații sunt mucoasele , organele hematopoietice . Moartea celulelor nervoase este periculoasă datorită ratei lor scăzute de recuperare.

Eficacitatea biologică relativă a radiației beta este egală cu unu (pentru comparație, pentru particulele alfa această cifră este 20), deoarece energia transportată de o particulă beta este relativ mică [12] .

De asemenea, cuante gamma de bremsstrahlung create de particulele beta atunci când se deplasează în materie au o putere de penetrare mult mai mare și, prin urmare, pot prezenta un pericol suplimentar [13] .

Radiația deltă și epsilon

Există și alte tipuri de radiații ale căror particule sunt electroni.

Electronii eliminați de particulele din atomi în timpul ionizării formează așa-numita radiație delta [14] . Particulele delta (sau electronii delta) sunt electroni ca particulele beta, cu toate acestea, energia lor depășește rar 1 keV, iar spectrul diferă de cel al particulelor beta. Electronii Delta pot, la rândul lor, să elimine alți electroni, provocând ionizare terțiară . Electronii eliminați de particulele delta se numesc particule epsilon.

Note

1. ↑ Beta - Decay Arhivat 13 decembrie 2016 la Wayback Machine  (rusă)
2. ↑ SURSE DE RADIAȚII IONIZANTE Arhivat 25 noiembrie 2016 la Wayback Machine  (rusă)
3. ↑ Beta Decay Arhivat 6 ianuarie 2022 la Wayback Machine  (rusă)
4. ↑ Radioactive Decay Arhivat la 1 mai 2021 la Wayback Machine  (rusă)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Interacțiunea particulelor beta cu materia Copie de arhivă din 5 ianuarie 2017 la Wayback Machine  (rusă)
6. ↑ 1 2 Interacțiunea particulelor cu materia Arhivat 20 noiembrie 2016 la Wayback Machine 
7. ↑ 1 2 Beta radiation Arhivat 28 iulie 2020 la Wayback Machine  (rusă)
8. ↑ Terapia beta . Preluat la 1 mai 2021. Arhivat din original la 6 ianuarie 2017. (nedefinit)
9. ↑ Beta Radiation in Thickness Control Arhivat 6 ianuarie 2017 la Wayback Machine 
10. ↑ Tritium: Radioactively Illuminated Clock Arhivat 17 noiembrie 2016 la Wayback Machine  (rusă)
11. ↑ b-RADIAȚIA, IMPACTUL EI ASUPRA SĂNĂTĂȚII UMANE Copie de arhivă din 28 noiembrie 2016 la Wayback Machine  (rusă)
12. ↑ APLICAREA IZOTOPILOR ÎN CHIMIE ȘI INDUSTRIA  CHIMĂ (rus.)
13. ↑ Surse de lumină cu tritiu gazos (GTLS) și dispozitive cu lumină cu tritiu gazos (GTLD) Arhivate la 8 octombrie 2015 la Wayback Machine 
14. ↑ Delta ray Arhivat 10 august 2020 la Wayback Machine 

Literatură

• Ukrainian Soviet Encyclopedia : în 12 volume = Ukrainian Radian Encyclopedia  (Ucraineană) / Ed. M. Bazhan . - a doua vedere. - K .: Gol. ediţia URE, 1974-1985.
• Mica enciclopedie de munte . În 3 volume = Small hand encyclopedia / (În ucraineană). Ed. V. S. Beletsky . - Donețk: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare norvegian Mare norvegian Rusă mare Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449