stringtranslate.com

Бета-частица

Альфа-излучение состоит из ядер гелия и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение , состоящее из электронов или позитронов , останавливается тонкой алюминиевой пластиной, но гамма-излучение требует экранирования плотным материалом, таким как свинец или бетон. [1]

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.

Режимы бета-распада

β−распад (электронная эмиссия)

Бета-распад. Показано, что бета-частица (в данном случае отрицательный электрон) испускается ядром . Антинейтрино (не показано) всегда испускается вместе с электроном. Вставка: при распаде свободного нейтрона образуются протон, электрон (отрицательный бета-луч) и электронное антинейтрино .

Нестабильное атомное ядро ​​с избытком нейтронов может претерпеть β - распад, при котором нейтрон превращается в протон , электрон и электронное антинейтрино ( античастицу нейтрино ):


н

п
+
е
+
ν
е

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.

β+распад (испускание позитрона)

Нестабильные атомные ядра с избытком протонов могут подвергаться β + -распаду, также называемому позитронным распадом, при котором протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино :


п

н
+
е+
+
ν
е

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.

Схемы бета-распада

Схема распада цезия-137, показывающая, что он изначально подвергается бета-распаду. Гамма-пик 661 кэВ, связанный с 137 Cs, на самом деле испускается дочерним радионуклидом.

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 .

Взаимодействие с другими веществами

Синее излучение Черенкова, испускаемое бассейном реактора TRIGA , обусловлено высокоскоростными бета-частицами, движущимися быстрее скорости света ( фазовой скорости ) в воде (которая составляет 75% от скорости света в вакууме).

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).

Обнаружение и измерение

Бета-излучение обнаружено в изопропаноловой камере Вильсона (после введения искусственного источника стронция-90 )

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 показаны величины излучения в единицах СИ и не в единицах СИ:

Бета-спектроскопия

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]

Приложения

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 предмета, например, бумаги , проходящей через систему роликов. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через продукт. Если продукт сделан слишком толстым или тонким, будет поглощено соответственно различное количество излучения. Компьютерная программа, контролирующая качество произведенной бумаги, затем будет перемещать 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).

История

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.

Здоровье

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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Основы радиации". Комиссия по ядерному регулированию США. 2017-10-02.
  2. ^ Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (9 августа 2000 г.). «Бета-распад». Ядерная настенная диаграмма . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Получено 17 января 2016 г.
  3. ^ ab "Phosphorus-32" (PDF) . nucleide.org . Laboratoire Nationale Henri Bequerel. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 28 июня 2022 .
  4. ^ Макроскопическая скорость света в воде составляет 75% от скорости света в вакууме (называемой c ). Бета-частица движется быстрее 0,75 c, но не быстрее c.
  5. ^ Бёглин, Вернер. "4. Бета-спектроскопия — документация современных лабораторных экспериментов". wanda.fiu.edu .
  6. ^ Э. Резерфорд (8 мая 2009 г.) [Статья, опубликованная Резерфордом в 1899 г.]. «Излучение урана и электрическая проводимость, производимая им». Philosophical Magazine . 47 (284): 109–163. doi :10.1080/14786449908621245.

Дальнейшее чтение