Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (БЕ)"

Бета-распад

Бета-распад, b-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е^- ) – происходит так называемый b^- -распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е⁺ ) – происходит b⁺ -распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы – нейтрино (n ) в случае b+-распада или антинейтрино  в случае b^- -распада. При b^- -распаде число протонов (Z) в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу. Массовое число ядра А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при b⁺ -распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где  – символ ядра, состоящего из Z протонов и А— Z нейтронов.

  Простейшим примером (b^- -распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона » 13 мин ):

Более сложный пример (b^- -распада – распад тяжёлого изотопа водорода – трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):

Очевидно, что этот процесс сводится к b^- -распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае b-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента – ядро лёгкого изотопа гелия ³₂ Не.

  Примером b⁺ -распада может служить распад изотопа углерода ¹¹ С по следующей схеме:

Этот процесс можно представить как распад связанного протона

В этом случае ядро углерода превращается в ядро предшествующего ему в периодической таблице элемента – бора.

  Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона  с ближайшей к ядру К-оболочки, т. н. К-захват. При К-захвате, как и при b⁺ -распаде, образуется изобар, стоящий в периодической системе элементов слева от исходного ядра. Уравнение К-захвата имеет вид:

После захвата К-электрона на освободившееся место переходят электроны с более высоких оболочек; при этом испускается фотон. Т. о., К-захват сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения. Примером К-захвата может служить реакция, при которой ядро изотопа бериллия захватывает К-электрон и превращается в ядро лития:

  Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов b-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е_b можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с — скорость света в вакууме. В случае b-распада

где М — массы нейтральных атомов. В случае b+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна:

где me — масса электрона.

  Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E_b т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

  Итак, при b^- -распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при b⁺ -распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс.

  Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное ). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы – нейтрино – спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики – закон сохранения момента количества движения. Поскольку спины (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны ¹ /₂ , то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином ¹ /₂ . В частности, при b^- -распаде свободного нейтрона n ® p + e^- + n только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

  Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к b-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к b⁺ -распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к b^- -распаду – для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 b-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ³ 102).

Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от

периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10^-2сек (¹² N) до ~ 2 10¹³ лет (природный радиоактивный изотоп ¹⁸⁰ W).

  В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали «слабым», т.к. оно в 10¹² раз слабее ядерного и в 10⁹ раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия ). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между «правым» и «левым». Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий.

  Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра b-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер.

  Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра b-частиц.

  Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых b-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью бета-спектрометров . Примеры b-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2 .

  Лит.: Альфа-, бета– и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22—24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.

  Е. М. Лейкин.

Бета-спектр RaE (пример b -спектра тяжёлого элемента).

Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв , на оси ординат – число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией).

Бета-спектрометр

Бе'та-спектро'метр , прибор, служащий для анализа бета-спектров (см. Бета-распад ). Б.-с. применяют также для исследования энергетического спектра g-лучей по создаваемым ими в веществе вторичным электронам (см. Гамма-спектрометр ).

  Основными характеристиками Б.-с. являются светосила и разрешающая способность. Под светосилой понимают отношение числа электронов (или позитронов), которое используется для анализа, к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила Б.-с. зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов. Разрешающей способностью Б.-с. называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором. Разрешающая способность прецизионных Б.-с. достигает 0,01%. Как правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

  Различают Б.-с., измеряющие энергию электронов по их воздействию на вещество, и Б.-с., действие которых основано на пространственном разделении электронов и позитронов, имеющих различную энергию. К приборам первого типа относятся Б.-с., основанные на ионизации, возникающей в веществе при торможении электронов (см. Сцинтилляционный спектрометр , Ионизационная камера ); приборы этого типа обладают большой светосилой, но не дают возможности измерять энергию электронов с точностью, большей чем несколько процентов (или даже несколько десятков процентов). К приборам второго типа принадлежат Б.-с., в которых используются магнитные или электрические (для медленных электронов) поля. Обычно под Б.-с. понимают приборы второго типа.

  Наиболее просты по устройству (и дают наилучшее разрешение) Б.-с. с поперечным магнитным полем (предложены польским физиком Я. Данышем в 1912). В этих Б.-с. траектории электронов перпендикулярны силовым линиям поля. В однородном поперечном поле электроны движутся по окружностям (рис. 1 ), радиусы которых растут с импульсом р в соответствии с формулой:

pc = 300 Br,  (1)

где рс – произведение импульса электрона на скорость света с в эв ; В — индукция магнитного поля в гс ; r — радиус окружности в см . При энергиях электронов в несколько Мэв размеры Б.-с. невелики; он умещается на лабораторном столе. Детектором электронов может служить фотопластинка (рис. 1 ). В этом случае одновременно регистрируется целый участок энергетического спектра. При использовании в качестве детекторов различного вида счётчиков частиц (например, Гейгера – Мюллера счётчика ) магнитное поле спектрометра плавно изменяют, подводя к детектору электроны с разными импульсами р в соответствии с формулой (1) (рис. 2 ). Траектории электронов в Б.-с. проходят внутри вакуумной камеры (вакуум порядка 10^-1 – 10^-3 мм рт. ст. ).

  Существенным свойством Б.-с. с однородным поперечным магнитным полем является их способность фокусировать частицы, вылетевшие из источника в разных направлениях в некотором интервале углов. После поворота на 180° траектории частиц, вылетевших из источника почти перпендикулярно к линии, соединяющей источник и детектор, сходятся у детектора (рис. 3 ).

  При движении электронов в однородном магнитном поле составляющая их скорости, параллельная силовым линиям поля, сохраняет свою величину. Если начальные скорости электронов не перпендикулярны полю, их траектории – винтовые линии. Проекция траекторий на плоскость, перпендикулярную силовым линиям, является окружностью. В формулу (1) в этом случае входит составляющая импульса, перпендикулярная полю. Т. о., в однородном магнитном поле не происходит фокусировки в направлении поля. Добиться двойной (пространственной) фокусировки частиц удаётся ценой отказа от однородности поля. Для этой цели применяются Б.-с. (предложены Н. Свартхольмом и К. Сигбаном, Швеция, 1946), у которых магнитная индукция В спадает по радиусу r по формуле:

 

  Угловое расстояние между источником и детектором в Б.-с. с двойной фокусировкой равно не 180°, а 254°.

  В Б.-с. с секторной фокусировкой (рис. 4 ) отсутствует магнитное поле около источника и коллектора, что является их достоинством, но они обладают малой светосилой.

  Б.-с. с продольным магнитным полем обладают свойством пространственной фокусировки. В Б.-с. этого типа траектории вытянуты вдоль магнитного поля. Винтовые линии, образуемые различными траекториями, создают сложную пространственную картину. На рис. 5 изображена зависимость расстояния от электрона до продольной оси спектрометра от пути, пройденного вдоль оси, для двух электронов, вылетающих под разными углами относительно оси прибора, т. е. относительно направления поля. Траектории проходят на одном и том же расстоянии от оси в области кольцевого фокуса, в котором устанавливается кольцевая диафрагма, пропускающая частицы с определённым значением импульса. Однородное продольное магнитное поле создаётся соленоидом, окружающим прибор. По аналогии с оптикой такие соленоиды называют магнитным и линзами (см. Электронная оптика ). Описанный прибор носит название Б.-с. с длинной магнитной линзой. Нередко применяют также приборы, у которых источник и детектор расположены вне соленоида (в направлении его оси). Их называют Б.-с. с короткой магнитной линзой.

  Широко распространены Б.-с. типа «апельсин». Магнитное поле таких приборов можно себе представить как наложение секторных магнитных полей, получающихся при вращении поля (рис. 4 ) вокруг линии, соединяющей источник и детектор. Магнитные силовые линии в этом случае – окружности, центры которых расположены на оси прибора. Такие Б.-с. позволяют получить большую светосилу и хорошую разрешающую способность.

  Источники, применяемые в бета-спектроскопии, изготовляют нанесением слоя радиоактивных веществ на тонкие подложки (слюда, алюминий). Торможение электронов в источнике способно вызывать заметные искажения спектра. Наилучшие источники получают испарением в вакууме. В качестве детекторов применяют фотографические пластинки, сцинтилляционные счётчики, счётчики Гейгера – Мюллера. На рис. 6 приведён b-спектр излучения радиоактивного изотопа ¹⁷⁷ Lu, снятый с помощью Б.-с.

Лит.: Альфа-, бета– и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 1, М., 1969; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961; Грошев Л. В. и Шапиро И. С., Спектроскопия атомных ядер, М., 1952.

  Л. Л. Гольдин.

Схема движения электронов в продольном магнитном поле. Силовые линии поля параллельны оси прибора. Траектории электронов, имеющих одинаковый импульс р, проходят в области диафрагмы на одном и том же расстоянии от оси прибора (кольцевая фокусировка).

Рис. 6. Спектр излучения ¹⁷⁷ Lu. По оси абсцисс отложен импульс электронов, измеренный в единицах Вr по оси ординат – зарегистрированная детектором интенсивность, поделенная на Вr. Пики на кривой обусловлены электронами, которые возникают при внутренней конверсии g-лучей, испускаемых при высвечивании дочернего ядра ¹⁷⁷ Не. b-спектр ¹⁷⁷ Lu образует пьедестал, на котором возвышаются конверсионные пики.

Траектория электронов в поперечном магнитном поле. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости рисунка. Радиус окружности, которую описывает электрон, пропорционален его импульсу.

Фокусировка электронов в однородном поперечном магнитном поле (полукруговая фокусировка). Траектории электронов, вылетевших из источника под небольшими углами к оси у, сходятся у детектора.

Траектория электронов в b-спектрометре со счётчиком Гейгера – Мюллера. Плавно изменяя магнитное поле, к щели спектрометра последовательно подводят частицы с разными значениями импульса р.

Схема устройства b-спектрометра с секторной фокусировкой. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости рисунка.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (БЕ)"