«Бета-распад»

β-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 β^--распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е⁺) — происходит β⁺-распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы — нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино ^--распада. При β^--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 β⁺-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 —Z нейтронов.

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

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

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

Примером β⁺-распада может служить распад изотопа углерода ¹¹С 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 ⁺-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 β-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_β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с — скорость света в вакууме. В случае β-распада

где М — массы нейтральных атомов. В случае β+-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_β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Итак, при β^--распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β⁺-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 β^--распаде свободного нейтрона n → p + e^- + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

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

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

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

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 (См. Элементарные частицы) (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 β-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 β-частиц.

Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометров. Примеры β-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 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-спектр RaE (пример β -спектра тяжёлого элемента).

м.

Радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся испусканием электрона и антинейтрино либо позитрона и нейтрино.

БЕТА-РАСПАД (b-распад), вид радиоактивности, при котором распадающееся ядро испускает электроны или позитроны. При электронном бета-распаде (b-) нейтрон (внутриядерный или свободный) превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (смотри Античастицы). При позитронном бета-распаде (b+) один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Основы теории бета-распада созданы в 1934 Э. Ферми. По современным представлениям, развитым Р.Ф. Фейнманом и М. Гелл-Маном, бета-распад - проявление слабого взаимодействия. Процесс, обратный бета-распаду, состоит в захвате ядром электрона с ближайшей к ядру электронной оболочки атома (электронный захват).

beta-disintegration, beta decay

beta decay

БЕТА-РАСПАД

(b-распад). самопроизвольные (спонтанные) превращения нейтрона n в протон р и протона в нейтрон внутри ат. ядра (а также превращение в протон свободного нейтрона), сопровождающиеся испусканием эл-на е- или позитрона е+ и электронных антинейтрино v^e или нейтрино ve. Известны два вида Б.-р.: 1) b--распад: n®p+e-+v^e, при к-ром образуется ядро с числом протонов Z на единицу больше, чем у исходного ядра, напр.:

146С®147N+е-+v^e.

Простейшим примером b- -распада явл. распад свободного нейтрона. 2) Позитронный Б.-р. (b+ -распад): p®n+e++ve, при к-ром образуется ядро с Z на единицу меньше, чем у исходного ядра, напр.:

116C®115B+e++ve.

К Б.-р. относят также процесс поглощения ядром ат. эл-на с испусканием ve (электронный захват). При электронном захвате, как и при позитронном Б.-р., один из протонов ядра превращается в нейтрон: р+е-®n+ve, и число протонов Z уменьшается на единицу, напр.:

47Be+e-®73Li+ve.

Родственными Б.-р. явл. процессы вз-ствия нейтрино и антинейтрино с ядрами:

ve+AZX®Z+1AX+e-, v^e+AZX®AZ-1X+e+

(А — массовое число ядер X).

Б.-р. обусловлен слабыми взаимодействиями. Периоды полураспада T1/2 b-АКТИВНЫХ ядер варьируются от 10-2 с до 10 18 лет.

Б.-р. наблюдается и у тяжёлых и у лёгких ядер. Устойчивость ядер зависит от соотношения чисел протонов Z и нейтронов N. С ростом Z увеличивается энергия кулоновского отталкивания протонов. Поэтому у средних и тяжёлых стабильных ядер значение (N-Z)>0 (см. ЯДРО АТОМНОЕ). Ядра, у к-рых N больше, чем требуется для их стабильности, радиоактивны и могут испытывать b- -распад; ядра, у к-рых N слишком мало, могут испытывать b+-распад или электронный захват. Полная энергия?П, выделяющаяся при Б.-р., распределяется гл. обр. между двумя ч-цами, напр, между е- и v^e. Нек-рую очень малую её долю (=?2П/Мс2, где М — масса ядра) уносит остаточное ядро, испытывающее при Б.-р. «отдачу». Распределение вылетающих эл-нов по энергиям N (?) наз. b-спектром. Общие св-ва b-спектров — непрерывность и наличие макс. энергии?макс— верхней границы b-спектра. Именно на основании этих св-в b-спектров швейц. физик В. Паули в 1930 предсказал существование нейтрино.

Форма b-спектра может зависеть от состояний исходного и образовавшегося ядер (спина, чётности и др.).

При малых энергиях вылетающей заряж. ч-цы (е- или е+ ) форма b-спектра искажается влиянием кулоновского вз-ствия между ядром и эл-яом или позитроном, Б.-р. часто происходит не только на осн. уровень, но и на возбуждённые уровни кон. ядра. Если распад идёт на неск. уровней, то b-спектр приобретает сложную форму.

Теория Б.-р. была создана в 1934 итал. физиком Э. Ферми по аналогии с электродинамикой, где испускание и поглощение фотонов рассматривается как результат вз-ствия заряда с создаваемым им самим эл.-магн. полем (фотоны возникают в момент испускания). Процесс Б.-р. рассматривается как результат вз-ствия нуклона с электронно-нейтринным полем: нуклон переходит в др. состояние, испуская е= или е+ и v^e или ve.

см. Радиоактивность.

{{бе́та-расп{}а{}д}} -а; м. Физ. Радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино, либо позитрон и нейтрино.

* * *

(β-распад), самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны типы бета-распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) и электронный захват. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном — уменьшается на 1; массовое число не меняется (см. Радиоактивность). К бета-распаду относится также спонтанное превращение свободного нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.

* * *

БЕ́ТА-РАСПА́Д (b-распад), самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Известны типы b-распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) и электронный захват(см. ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАХВАТ). При электронном b-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном — уменьшается на 1; массовое число не меняется (см. Радиоактивность(см. РАДИОАКТИВНОСТЬ)).

самопроизвольное (спонтанное) превращение ядер, сопровождающееся испусканием электрона и антинейтрино или поглощением позитрона и нейтрино. При бета-распаде свободный нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.

бета-распад, - радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе к-рьхх ядра испускают электроны и антинейтрино (бета^- - распад) либо позитроны и нейтрино (бета⁺ - распад). Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее назв. бета-частиц. При бета^-

распаде в ядре происходит превращение одного нейтрона в протон, а при бета⁺ - распаде - превращение одного протона в нейтрон. К Б.-р. относится также электронный захват (Е-захват) - захват ядром электрона из электронной оболочки атома, сопровождающийся превращением одного протон а. в нейтрон с испусканием нейтрино. Наиболее вероятен захват электрона из т. н. К -оболочки, называемый К-захватом. Кинетич. энергия р-частиц имеет всевозможные значения от 0 до W_макс, т.е. энергия, выделяющаяся при бета-распаде, по-разному распределяется между электроном (позитроном) и антинейтрино (нейтрино). Б.-р. обусловлен слабым взаимодействием.

БЕТА-РАСПАД (ß-распад) — радиоактивное превращение атомного ядра (слабое взаимодействие), при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино; при Б.-р. электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое число (см.) не меняется.