Бета -частица , также называемая бета-лучом или бета-излучением (символ β ), представляет собой высокоэнергетический, высокоскоростной электрон или позитрон, испускаемый радиоактивным распадом атомного ядра , известным как бета-распад . Существует две формы бета-распада, β − распад и β + распад, которые производят электроны и позитроны соответственно. [2]
Бета-частицы с энергией 0,5 МэВ имеют радиус действия в воздухе около одного метра; расстояние зависит от энергии частицы, а также плотности и состава воздуха.
Бета-частицы являются типом ионизирующего излучения , и в целях радиационной защиты они считаются более ионизирующими, чем гамма-лучи , но менее ионизирующими, чем альфа-частицы . Чем выше ионизирующий эффект, тем сильнее повреждение живой ткани, но также тем ниже проникающая способность излучения через вещество.
Нестабильное атомное ядро с избытком нейтронов может претерпеть β - распад, при котором нейтрон превращается в протон , электрон и электронное антинейтрино ( античастицу нейтрино ):
Этот процесс опосредован слабым взаимодействием . Нейтрон превращается в протон посредством испускания виртуального W − бозона . На уровне кварков испускание W − превращает нижний кварк в верхний кварк, превращая нейтрон (один верхний кварк и два нижних кварка) в протон (два верхних кварка и один нижний кварк). Затем виртуальный W − бозон распадается на электрон и антинейтрино.
β−-распад обычно происходит среди богатых нейтронами побочных продуктов деления , производимых в ядерных реакторах . Свободные нейтроны также распадаются посредством этого процесса. Оба эти процесса способствуют обильному количеству бета-лучей и электронных антинейтрино, производимых топливными стержнями реакторов деления.
Нестабильные атомные ядра с избытком протонов могут подвергаться β + -распаду, также называемому позитронным распадом, при котором протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино :
Бета-плюс-распад может происходить внутри ядер только тогда, когда абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше, чем у материнского ядра, т. е. дочернее ядро находится в состоянии с более низкой энергией.
Прилагаемая схема распада показывает бета-распад цезия-137 . 137Cs отмечен характерным гамма-пиком при 661 кэВ, но на самом деле он испускается дочерним радионуклидом 137mBa . На схеме показаны тип и энергия испускаемого излучения, его относительное содержание и дочерние нуклиды после распада.
Фосфор-32 — это бета-излучатель, широко используемый в медицине. Он имеет короткий период полураспада 14,29 дней [3] и распадается на серу-32 посредством бета-распада, как показано в этом ядерном уравнении:
В процессе распада выделяется 1,709 МэВ энергии. [3] Кинетическая энергия электрона варьируется в среднем около 0,5 МэВ, а остальная часть энергии переносится почти необнаружимым электронным антинейтрино . По сравнению с другими нуклидами, испускающими бета-излучение, электрон умеренно энергичен. Он блокируется примерно 1 м воздуха или 5 мм акрилового стекла .
Из трех распространенных типов излучения, испускаемого радиоактивными материалами, альфа , бета и гамма , бета имеет среднюю проникающую способность и среднюю ионизирующую способность. Хотя бета-частицы, испускаемые различными радиоактивными материалами, различаются по энергии, большинство бета-частиц могут быть остановлены несколькими миллиметрами алюминия . Однако это не означает, что бета-излучающие изотопы могут быть полностью экранированы такими тонкими экранами: по мере того, как они замедляются в веществе, бета-электроны испускают вторичные гамма-лучи, которые являются более проникающими, чем бета-лучи сами по себе. Экранирование, состоящее из материалов с меньшим атомным весом, генерирует гамма-лучи с меньшей энергией, что делает такие экраны несколько более эффективными на единицу массы, чем экраны, сделанные из более крупных атомов, таких как свинец.
Состоя из заряженных частиц, бета-излучение сильнее ионизирует, чем гамма-излучение. При прохождении через вещество бета-частица замедляется электромагнитными взаимодействиями и может испускать тормозное рентгеновское излучение .
В воде бета-излучение от многих продуктов ядерного деления обычно превышает скорость света в этом материале (которая составляет около 75% скорости света в вакууме) [4] и, таким образом, генерирует синее черенковское излучение при прохождении через воду. Интенсивное бета-излучение от топливных стержней реакторов плавательных бассейнов, таким образом, можно визуализировать через прозрачную воду, которая покрывает и защищает реактор (см. иллюстрацию справа).
Ионизирующее или возбуждающее воздействие бета-частиц на вещество является фундаментальным процессом, посредством которого радиометрические приборы обнаружения обнаруживают и измеряют бета-излучение. Ионизация газа используется в ионных камерах и счетчиках Гейгера-Мюллера , а возбуждение сцинтилляторов используется в сцинтилляционных счетчиках . В следующей таблице приведены величины излучения в единицах СИ и не в единицах СИ:
Энергия, содержащаяся в отдельных бета-частицах, измеряется с помощью бета-спектрометрии ; изучение полученного распределения энергий в виде спектра называется бета-спектроскопией . Определение этой энергии осуществляется путем измерения величины отклонения траектории электрона под действием магнитного поля. [5]
Бета-частицы могут использоваться для лечения таких заболеваний, как рак глаз и костей , а также в качестве индикаторов. Стронций-90 — это материал, который чаще всего используется для получения бета-частиц.
Бета-частицы также используются в контроле качества для проверки толщины изделия, например, бумаги , проходящей через систему роликов. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через продукт. Если продукт сделан слишком толстым или тонким, соответственно будет поглощено разное количество излучения. Компьютерная программа, контролирующая качество произведенной бумаги, затем перемещает ролики, чтобы изменить толщину конечного продукта.
Осветительное устройство, называемое бета-светом , содержит тритий и фосфор . При распаде трития он испускает бета-частицы; они ударяют по фосфору, заставляя фосфор испускать фотоны , подобно электронно-лучевой трубке в телевизоре. Освещение не требует внешнего питания и будет продолжаться до тех пор, пока существует тритий (и фосфоры сами по себе не изменятся химически); количество произведенного света упадет до половины своего первоначального значения через 12,32 года, период полураспада трития.
Бета-плюс (или позитронный ) распад радиоактивного изотопного индикатора является источником позитронов, используемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Анри Беккерель , экспериментируя с флуоресценцией , случайно обнаружил, что уран облучает фотографическую пластинку, обернутую черной бумагой, каким-то неизвестным излучением , которое нельзя отключить, как рентгеновские лучи .
Эрнест Резерфорд продолжил эти эксперименты и открыл два различных вида излучения:
Он опубликовал свои результаты в 1899 году. [6]
В 1900 году Беккерель измерил отношение массы к заряду ( m / e ) для бета-частиц методом Дж. Дж. Томсона, который он использовал для изучения катодных лучей и идентификации электрона. Он обнаружил, что e / m для бета-частицы такое же, как и для электрона Томсона, и поэтому предположил, что бета-частица на самом деле является электроном.
Бета-частицы обладают умеренной проникающей способностью в живые ткани и могут вызывать спонтанные мутации в ДНК .
Источники бета-излучения могут использоваться в лучевой терапии для уничтожения раковых клеток.