Бета -частица , также называемая бета-лучем или бета-излучением (символ β ), представляет собой высокоэнергетический, высокоскоростной электрон или позитрон, испускаемый в результате радиоактивного распада атомного ядра в процессе бета-распада . Существует две формы бета-распада: β - распад и β + -распад, в результате которых образуются электроны и позитроны соответственно. [2]
Бета-частицы с энергией 0,5 МэВ имеют пробег в воздухе около одного метра; расстояние зависит от энергии частицы.
Бета-частицы являются разновидностью ионизирующего излучения и в целях радиационной защиты считаются более ионизирующими, чем гамма-лучи , но менее ионизирующими, чем альфа-частицы . Чем выше ионизирующее действие, тем больше повреждение живых тканей, но и тем ниже проникающая способность излучения.
Нестабильное атомное ядро с избытком нейтронов может подвергнуться β - распаду, 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 W - эмиссия превращает нижний кварк в верхний кварк, превращая нейтрон (один верхний кварк и два нижних кварка) в протон (два верхних кварка и один нижний кварк). Виртуальный W - бозон затем распадается на электрон и антинейтрино.
β-распад обычно происходит среди богатых нейтронами побочных продуктов деления , образующихся в ядерных реакторах . Свободные нейтроны также распадаются в результате этого процесса. Оба эти процесса способствуют образованию большого количества бета-лучей и электронных антинейтрино, производимых топливными стержнями реактора 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 родительского ядра, т. е. дочернее ядро представляет собой состояние с более низкой энергией.
Прилагаемая диаграмма схемы распада показывает бета-распад цезия-137 . 137 Cs отмечен характерным гамма-пиком при 661 кэВ, но на самом деле он испускается дочерним радионуклидом 137m Ba. На диаграмме показаны тип и энергия испускаемого излучения, его относительное содержание и дочерние нуклиды после распада.
Фосфор-32 является бета-излучателем, широко используемым в медицине, имеет короткий период полураспада 14,29 дней [3] и распадается на серу-32 путем бета-распада , как показано в этом ядерном уравнении:
При распаде выделяется 1,709 МэВ энергии. [3] Кинетическая энергия электрона варьируется в среднем примерно на 0,5 МэВ, а остальную часть энергии несет почти необнаружимое электронное антинейтрино . По сравнению с другими нуклидами, испускающими бета-излучение, электрон имеет умеренную энергию. Его блокирует около 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 можно остановить с помощью нескольких миллиметров алюминия . Однако это не означает, что бета-излучающие изотопы могут быть полностью экранированы такими тонкими экранами: замедляясь в веществе, бета-электроны испускают вторичные гамма-лучи, которые более проникающие, чем бета-излучения как таковые. Экранирование, состоящее из материалов с меньшим атомным весом, генерирует гамма-излучение с меньшей энергией, что делает такие экраны несколько более эффективными на единицу массы, чем экраны, изготовленные из материалов с высоким атомным числом, таких как свинец.
Бета-излучение, состоящее из заряженных частиц, обладает более сильной ионизацией, чем гамма-излучение. Проходя через вещество, бета-частица замедляется за счет электромагнитных взаимодействий и может испускать тормозное рентгеновское излучение .
В воде бета-излучение многих продуктов ядерного деления обычно превышает скорость света в этом материале (которая составляет 75% от скорости света в вакууме) [4] и, таким образом, генерирует голубое черенковское излучение при прохождении через воду. Таким образом , интенсивное бета-излучение топливных стержней бассейновых реакторов можно визуализировать сквозь прозрачную воду, которая покрывает и защищает реактор (см. иллюстрацию справа).
Ионизирующее или возбуждающее воздействие бета-частиц на вещество является фундаментальным процессом, с помощью которого радиометрические приборы обнаружения обнаруживают и измеряют бета-излучение. Ионизация газа используется в ионных камерах и счетчиках Гейгера — Мюллера , возбуждение сцинтилляторов — в сцинтилляционных счетчиках . В следующей таблице показаны количества радиации в единицах СИ и других единицах СИ:
Энергия, содержащаяся в отдельных бета-частицах, измеряется с помощью бета-спектрометрии ; исследованием полученного распределения энергий в виде спектра является бета-спектроскопия . Определение этой энергии осуществляется путем измерения величины отклонения траектории электрона под действием магнитного поля. [5]
Бета-частицы можно использовать для лечения таких заболеваний, как рак глаз и костей , а также в качестве индикаторов. Стронций-90 — это материал, наиболее часто используемый для производства бета-частиц.
Бета-частицы также используются при контроле качества для проверки толщины предмета, например бумаги , проходящего через систему роликов. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через продукт. Если изделие сделать слишком толстым или тонким, будет поглощаться соответственно разное количество радиации. Компьютерная программа, контролирующая качество изготовленной бумаги, затем перемещает валки, чтобы изменить толщину конечного продукта.
Осветительное устройство, называемое беталайтом , содержит тритий и люминофор . При распаде трития выделяются бета-частицы; они ударяются о люминофор, заставляя люминофор испускать фотоны , подобно электронно-лучевой трубке в телевизоре. Освещение не требует внешней энергии и будет продолжаться до тех пор, пока существует тритий (и сами люминофоры не изменяются химически); количество производимого света упадет вдвое от первоначального значения через 12,32 года — период полураспада трития.
Бета-плюс (или позитронный ) распад радиоактивного изотопа-индикатора является источником позитронов, используемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ-сканирование).
Анри Беккерель , экспериментируя с флуоресценцией , случайно обнаружил, что уран облучает фотопластинку , обернутую черной бумагой, каким-то неизвестным излучением , которое невозможно отключить, как рентгеновские лучи .
Эрнест Резерфорд продолжил эти эксперименты и открыл два разных 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, использовавшимся для изучения катодных лучей и идентификации электрона. Он нашел, что e / m для бета-частицы такая же, как и для электрона Томсона, и поэтому предположил, что бета-частица на самом деле является электроном.
Бета-частицы умеренно проникают в живые ткани и могут вызывать спонтанные мутации в ДНК .
Бета-источники можно использовать в лучевой терапии для уничтожения раковых клеток.