Бета-распад

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжелого W бозона

В ядерной физике бета-распад — это тип радиоактивного распада, при котором испускается бета-частица (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета минус» (β⁻), а в случае испускания позитрона — «бета плюс» (β⁺).

В β⁻-распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:

$n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$ .

На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W бозона.

В β⁺-распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

$\mathrm{energy} + p^+ \rightarrow n^0 + e^+ + {\nu}_e$ .

Таким образом, в отличие от β⁻-распада, β⁺-распад не может происходить в отсутствии внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. β⁺-распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идет на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β⁺-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

$\mathrm{energy} + p^+ + e^- \rightarrow n^0 + {\nu}_e$ .

Но если разность энергий начального и конечного состояний мала, то электронный захват может происходить, не сопровождаясь испусканием позитрона.

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:

$\mathrm{{}^1{}^{37}_{55}Cs}\rightarrow\mathrm{{}^1{}^{37}_{56}Ba}+ e^- + \bar{\nu}_e$ (β⁻ распад),

$\mathrm{~^{22}_{11}Na}\rightarrow\mathrm{~^{22}_{10}Ne} + e^+ + {\nu}_e$ (β⁺ распад),

$\mathrm{~^{22}_{11}Na} + e^- \rightarrow\mathrm{~^{22}_{10}Ne} + {\nu}_e$ (электронный захват).

Исторически исследование бета-распада привело к первому физическому доказательству существования нейтрино. В 1911 году Лиза Мейтнер и Отто Ган провели эксперимент, который 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 легкую 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.

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A, но меняет только его заряд Z. Таким образом может быть введен набор всех нуклидов с одинаковым A; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A, Z) числа, соседние ядра (A, Z−1) и (A, Z+1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада на (A, Z), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). В природе большинство изотопов бета-стабильны, но существует несколько исключений с таким большими периодами полураспада, что у них недостаточно времени для других типов распада с момента их нуклеосинтеза. Например, ⁴⁰K, который подвержен всем трем типам бета-распада (бета минус, бета плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277×10⁹ лет.

Некоторые ядра участвуют в двойном бета-распаде (ββ-распад), при котором заряд ядра меняется на две единицы. В самых практически интересных случаях простой бета-распад энергетически запрещен для таких ядер, поскольку когда β- и ββ-распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких ββ-распадов. Таким образом, ββ-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A; следовательно, по крайней мере, один из нуклидов с данным A должен быть стабильным, чтобы участвовать и в простом, и в двойном бета-распадах.

Бета-распад можно рассмотреть как пертурбацию, описанную в квантовой механике, так что он подчиняется золотому правилу Ферми.

[править] Диаграмма Кюри

Диаграмма Кюри — график, который указывает на линейную зависимость между количеством испущенных частиц (электронов, позитронов) и их энергией (импульсом). Если мы можем вычислить энергии, то мы в принципе можем вывести массу нейтрино. Также известна как диаграмма Ферми.

[править] См. также

Категория: Радиоактивность

Бета-распад

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

[править] Диаграмма Кюри

[править] См. также

Views

Навигация

Участие

Поиск

На других языках