Dezintegrare beta

Dezintegrarea beta ( β - decay) este un tip de dezintegrare radioactivă datorită interacțiunii slabe și modificării încărcăturii nucleului cu una, fără a modifica numărul de masă [1] . În această dezintegrare , nucleul emite o particulă beta ( electron sau pozitron ), precum și o particulă neutră cu spin semiîntreg ( electron antineutrin sau electron neutrino ).

În mod tradițional, două tipuri de dezintegrare sunt clasificate ca dezintegrare beta:

nucleul (sau neutronul ) emite un electron și un antineutrin - „degradare beta minus” ( β − ).
nucleul emite un pozitron și un neutrin - „beta plus dezintegrare” ( β + ).

Dezintegrarea electronilor produce antineutrini, iar dezintegrarea pozitronilor produce neutrini. Acest lucru se datorează legii fundamentale a conservării sarcinii leptonilor .

Pe lângă descompunerea β- și β + - , dezintegrarile beta includ și capturarea de electroni ( e -capture ), în care nucleul captează un electron din învelișul său de electroni și emite un neutrin de electroni.

Neutrinii (antineutrinii), spre deosebire de electroni și pozitroni, interacționează extrem de slab cu materia și duc cu ei o parte din energia de dezintegrare disponibilă.

Mecanism de dezintegrare

În dezintegrarea β , o interacțiune slabă transformă un neutron într-un proton , în timp ce un electron și un electron antineutrin sunt emisi :

n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

La un nivel fundamental (prezentat în diagrama Feynman ), acest lucru se datorează transformării unui cuarc d într-un cuarc u , emițând un boson W − virtual , care la rândul său se descompune într-un electron și un antineutrin.

Neutronul liber experimentează, de asemenea, dezintegrare β - (vezi dezintegrarea beta neutronului ). Acest lucru se datorează faptului că masa neutronului este mai mare decât masa totală a protonului, electronului și antineutronului. Un neutron legat în nucleu poate dezintegra prin acest canal numai dacă masa atomului părinte M i este mai mare decât masa atomului fiu M f (sau, în general, dacă energia totală a stării inițiale este mai mare decât energia totală a oricărei stări finale posibile) [2] . Diferența ( M i − M f ) · c 2 = Q β se numește energia disponibilă de dezintegrare beta . Coincide cu energia cinetică totală a particulelor care se deplasează după dezintegrare - un electron, un antineutrin și un nucleu fiu (așa-numitul nucleu de recul, a cărui pondere în echilibrul total al energiei cinetice transportate este foarte mică, deoarece este mult mai masiv decât celelalte două particule). Dacă neglijăm contribuția nucleului de recul, atunci energia disponibilă eliberată în timpul dezintegrarii beta este distribuită sub formă de energie cinetică între un electron și un antineutrin, iar această distribuție este continuă: fiecare dintre cele două particule poate avea o energie cinetică variind de la 0 la Q β . Legea conservării energiei permite dezintegrarea β − - numai pentru Q β nenegativ .

Dacă dezintegrarea neutronilor a avut loc în nucleul unui atom, atunci atomul fiică în timpul dezintegrarii β apare de obicei sub forma unui ion pozitiv încărcat individual, deoarece nucleul își mărește sarcina cu unul, iar numărul de electroni din înveliș rămâne. aceeași. Starea stabilă a învelișului de electroni a unui astfel de ion poate diferi de starea învelișului atomului părinte; prin urmare, după dezintegrare, învelișul de electroni este rearanjat, însoțit de emisia de fotoni. În plus, dezintegrarea beta la o stare legată este posibilă , atunci când un electron cu energie scăzută emis din nucleu este capturat într-unul dintre orbitalii învelișului; în acest caz, atomul fiică rămâne neutru.

În dezintegrarea β + , protonul din nucleu se transformă într-un neutron, un pozitron și un neutrin :

p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.

Spre deosebire de β - dezintegrarea, β + - dezintegrarea nu poate avea loc în afara nucleului, deoarece masa unui proton liber este mai mică decât masa unui neutron (dezintegrarea ar putea apărea numai dacă masa protonului depășește masa totală a neutronului, pozitronul). și neutrini). Un proton se poate descompune prin canalul de dezintegrare β + numai în interiorul nucleelor, atunci când valoarea absolută a energiei de legare a nucleului fiu este mai mare decât energia de legare a nucleului părinte. Diferența dintre aceste două energii se referă la transformarea unui proton într-un neutron, pozitron și neutrin și la energia cinetică a particulelor rezultate. Bilanțul energetic în timpul dezintegrarii pozitronilor este următorul: ( M i − M f − 2 m e ) · c 2 = Q β , unde m e este masa electronilor. Ca și în cazul dezintegrarii β − - , energia disponibilă Q β este distribuită între pozitroni, neutrini și nucleul de recul (cel din urmă reprezintă doar o mică parte); energia cinetică a pozitronului și neutrinului este distribuită continuu în intervalul de la 0 la Q β ; dezintegrarea este permisă energetic numai pentru Q β nenegativ .

În dezintegrarea pozitronilor, atomul fiică apare ca un ion negativ încărcat individual, deoarece sarcina nucleului scade cu unu. Unul dintre canalele posibile de dezintegrare a pozitronilor este anihilarea pozitronului emergent cu unul dintre electronii de înveliș.

În toate cazurile în care dezintegrarea β + - este posibilă din punct de vedere energetic (și protonul face parte dintr-un nucleu care poartă învelișuri de electroni sau se află într-o plasmă cu electroni liberi), aceasta este însoțită de un proces concurent de captare a electronilor , în care un electron atomic este captat de nucleu cu emisia unui neutrin:

p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+{\nu }_{e}.

Dar dacă diferența dintre masele atomilor inițial și final este mică (mai puțin de două ori masa electronului, adică 1022 keV ), atunci captarea electronilor are loc fără a fi însoțită de dezintegrarea pozitronilor; acesta din urmă în acest caz este interzis de legea conservării energiei . Spre deosebire de dezintegrarea beta de electroni și pozitroni considerată anterior, în captarea electronilor toată energia disponibilă (cu excepția energiei cinetice a nucleului de recul și a energiei de excitație a învelișului E x ) este transportată de o singură particulă, neutrinul. Prin urmare, spectrul neutrinilor aici nu este o distribuție netedă, ci o linie monoenergetică lângă Q β .

Când un proton și un neutron sunt ambele părți ale unui nucleu atomic , procesele de dezintegrare beta transformă un element chimic în altul, adiacent tabelului periodic . De exemplu:

\mathrm {^{137}_{55}Cs} \rightarrow \mathrm {^{137}_{56}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

( -decădere, energie de dezintegrare 1175 keV [3] ),

\beta ^{-}

{\mathrm {~_{{11}}^{{22}}Na}}\rightarrow {\mathrm {~_{{10}}^{{22}}Ne}}+e^{+}+{ \nu }_{e}

( -decădere),

\beta ^{+}

{\mathrm {~_{{11}}^{{22}}Na}}+e^{-}\rightarrow {\mathrm {~_{{10}}^{{22}}Ne}}+{ \nu }_{e}

(captură electronică).

Dezintegrarea beta nu modifică numărul de nucleoni din nucleul A , ci schimbă doar sarcina lui Z (precum și numărul de neutroni N ). Astfel, se poate introduce o mulțime de toți nuclizii cu același A , dar Z și N diferit (lanț izobar); acești nuclizi izobari se pot transforma succesiv unul în altul în dezintegrare beta. Dintre aceștia, unii nuclizi (cel puțin unul) sunt beta-stabili deoarece reprezintă minime locale ale excesului de masă : dacă un astfel de nucleu are numerele ( A , Z ) , nucleele vecine ( A , Z − 1) și ( A , Z + 1) au un exces de masă mai mare și se pot descompune prin dezintegrare beta în ( A , Z ) , dar nu invers. Trebuie remarcat faptul că un nucleu beta-stabil poate suferi alte tipuri de dezintegrare radioactivă (dezintegrare alfa , de exemplu). Majoritatea izotopilor naturali de pe Pământ sunt beta-stabili, dar există câteva excepții cu timpi de înjumătățire atât de lungi încât nu au dispărut în cei aproximativ 4,5 miliarde de ani de la nucleosinteză . De exemplu, 40 K , care experimentează toate cele trei tipuri de dezintegrare beta (beta minus, beta plus și captarea electronilor), are un timp de înjumătățire de 1,277⋅109 ani .

Dezintegrarea beta poate fi privită ca o tranziție între două stări mecanice cuantice determinate de o perturbare, așa că se supune regulii de aur a lui Fermi .

În funcție de orientarea spinurilor particulelor rezultate, se disting două variante de dezintegrare beta. Dacă spinurile electronului și antineutrinului formate în timpul dezintegrarii beta sunt paralele (de exemplu, dezintegrarea beta-minus), atunci are loc o tranziție de tip Gamow-Teller. Dacă spinurile unui electron și ale unui antineutrin sunt orientate opus, are loc o tranziție de tip Fermi [4] .

Curie complot

Diagrama Curie [5] (cunoscută și sub numele de diagrama Fermi) este o diagramă folosită pentru a studia dezintegrarea beta. Aceasta este dependența energetică a rădăcinii pătrate a numărului de particule beta emise cu o energie dată, împărțită la funcția Fermi. Pentru dezintegrarile beta permise (și pentru unele interzise), diagrama Curie este liniară (o linie dreaptă înclinată în sus ca energie). Dacă neutrinii au o masă finită, atunci graficul Curie din apropierea punctului de intersecție cu axa energiei se abate de la cel liniar, ceea ce face posibilă măsurarea masei neutrinilor.

Degradare dublă beta

Unele nuclee pot experimenta dezintegrare beta dublă ( dezintegrare ββ ), în care sarcina nucleului se modifică nu cu una, ci cu două unități. În cele mai practice cazuri de interes, astfel de nuclee sunt beta-stabile (adică, dezintegrarea beta simplă este interzisă energetic), deoarece atunci când sunt permise atât dezintegrarea β- cât și ββ , probabilitatea dezintegrarii β este (de obicei) mult mai mare, împiedicând studiile de dezintegrare ββ foarte rare . Astfel, dezintegrarea ββ este de obicei studiată numai pentru nucleele beta-stabile. La fel ca dezintegrarea beta simplă, dezintegrarea beta dublă nu modifică A ; prin urmare, cel puțin unul dintre nuclizii cu un A dat trebuie să fie stabil atât în ceea ce privește dezintegrarea beta simplă, cât și dublă.

Istorie

Din punct de vedere istoric, studiul dezintegrarii beta a condus la primele dovezi fizice ale existenței neutrinului . În 1914, J. Chadwick a arătat experimental că energiile electronilor emise în timpul dezintegrarii beta au mai degrabă un spectru continuu decât unul discret. Acest lucru era în contradicție evidentă cu legea conservării energiei, deoarece s-a dovedit că o parte din energie a fost pierdută în procesele de dezintegrare beta. A doua problemă a fost că spin-ul atomului de azot-14 era 1, ceea ce contrazicea predicția lui Rutherford de ½. Într-o celebră scrisoare scrisă în 1930 , Wolfgang Pauli a sugerat că, pe lângă electroni și protoni, atomii conțin o particulă neutră foarte ușoară, pe care a numit-o neutron. El a sugerat că acest „neutron” este emis în dezintegrare beta și pur și simplu nu a fost observat înainte. În 1931, Enrico Fermi a redenumit „neutrinul” lui Pauli neutrin, iar în 1934 Fermi a publicat un model de dezintegrare beta de mare succes care implică neutrini [6] .

Vezi și

Note

↑ Conform regulii de deplasare radioactivă a lui Soddy și Faience .
↑ De exemplu, deuteriul , al cărui nucleu este format dintr-un proton și un neutron, este beta-stabil; neutronul din el nu se poate descompune spontan într-un proton + electron + antineutrin, deoarece energia oricăror posibile stări finale este mai mare decât energia unui atom de deuteriu în repaus.
↑ Copie arhivată . Consultat la 20 februarie 2016. Arhivat din original pe 16 octombrie 2005. (nedefinit)
↑ Dezintegrarea beta . Fizica nucleară pe internet . Universitatea de Stat din Moscova (17 noiembrie 2015). Consultat la 19 aprilie 2016. Arhivat din original pe 6 ianuarie 2022. (nedefinit)
↑ Numit după Franz ND Kurie , un fizician american care nu este nici rudă și nici cu numele lui Pierre și Marie Curie (Curie) .
↑ G. T. Zatsepin, A. Yu. Smirnov. Neutrino // Enciclopedia fizică : [în 5 volume] / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Enciclopedia Sovietică (vol. 1-2); Marea Enciclopedie Rusă (vol. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .

Literatură

Wu Ts. S. , Moshkovsky S. A. Dezintegrarea beta. - M . : Atomizdat, 1970. - 397 p.
Malyarov VV Fundamentele teoriei nucleului atomic. - M. : Fizmatlit, 1959. - 471 p. - 18.000 de exemplare.
Chellen G. Fizica particulelor elementare. — M .: Nauka, 1966. — 556 p. - 8000 de exemplare.
Solovyov V.G. Teoria nucleului atomic: cvasiparticule și fononi. - Energoatomizdat, 1989. - P. 103, 111, 112, 123, 138, 147, 208, 274, 288. - 304 p. — ISBN 5-283-03914-5 .
Erozolimsky B.G. Dezintegrarea neutronilor beta. UFN . 1975. Volumul 116. S. 145–164

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare norvegian Rusă mare Britannica (online) Britannica (online) Universalis
În cataloagele bibliografice	GND : 4144976-9 J9U : 987007284767905171 LCCN : sh85013444 NDL : 00560631