Бета-частица

Альфа-излучение состоит из ядер гелия и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение , состоящее из электронов или позитронов , задерживается тонкой алюминиевой пластиной, а гамма-излучение требует защиты плотным материалом, например свинцом или бетоном.

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 . Существуют две формы бета-распада: β ⁻ распад и β ⁺ распад, в результате которого образуются электроны и позитроны соответственно.

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.

Режимы бета-распада

б ⁻ распад (электронная эмиссия)

Основная статья: б ⁻ разлагаться

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

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

н
→
п
+
и ⁻
+
н
_и

Этот процесс опосредован слабым взаимодействием . Нейтрон превращается в протон за счет испускания виртуального W ⁻ бозон . 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.

б ⁺ распад (эмиссия позитронов)

Основная статья: Позитронная эмиссия

Нестабильные атомные ядра с избытком протонов могут подвергаться β ⁺ распад, также называемый распадом позитрона, при котором протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино :

п
→
н
+
и ⁺
+
н
_и

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.

Схемы бета-распада

Схема распада цезия-137, показывающая, что первоначально он подвергается бета-распаду. Гамма-пик с энергией 661 кэВ, связанный с ¹³⁷ Cs фактически испускается дочерним радионуклидом.

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. ^{137 м} Ба. 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, и имеет короткий период полураспада — 14,29 дней. и распадается на серу-32 путем бета-распада, как показано в этом ядерном уравнении:

32 15 П

→

32 16 С 1+

+

и −

+

н и

1,709 МэВ энергии. При распаде выделяется Кинетическая энергия электрона варьируется в среднем примерно на 0,5 МэВ, а оставшуюся 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 .

Взаимодействие с другой материей

Свет синего черенковского излучения , излучаемый бассейном реактора TRIGA, возникает из-за высокоскоростных бета-частиц, движущихся быстрее, чем скорость света ( фазовая скорость ) в воде (что составляет 75% 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 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% скорости света в вакууме). и, таким образом, генерирует голубое черенковское излучение , когда проходит через воду. Таким образом, интенсивное бета-излучение топливных стержней бассейновых реакторов можно визуализировать сквозь прозрачную воду, которая покрывает и защищает реактор (см. иллюстрацию справа).

Обнаружение и измерение

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

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 величины радиации в единицах СИ и других единицах СИ:

Величины, связанные с ионизирующим излучением

Количество	Единица	Символ	Вывод	Год	ЕСЛИ эквивалентно
Деятельность ( А )	беккерель	Бк	с −1	1974	И объединились
	кюри	Там	3.7 × 10 10 с −1	1953	3.7 × 10 10 Бк
	Резерфорд	Роуд	10 6 с −1	1946	1 000 000 Бк
Экспозиция ( X )	кулон на килограмм	С/кг	C⋅kg −1 воздуха	1974	И объединились
	рентген	Р	есу / 0,001 293 г воздуха	1928	2.58 × 10 −4 С/кг
Поглощенная доза ( D )	серый	Гай	J ⋅kg −1	1974	И объединились
	очень за грамм	очень/г	erg⋅g −1	1950	1.0 × 10 −4 Гай
	рад	рад	100 erg⋅g −1	1953	0,010 Гр
Эквивалентная доза ( H )	зиверт	Св	J⋅kg −1 × В Р	1977	И объединились
	рентгеновский эквивалент человека	рем	100 erg⋅g −1 × В Р	1971	0,010 Зв
Эффективная доза ( Е )	зиверт	Св	J⋅kg −1 × В Р × В Т	1977	И объединились
	рентгеновский эквивалент человека	рем	100 erg⋅g −1 × В Р × В Т	1971	0,010 Зв

• Грей . (Гр) — это единица поглощенной дозы в системе СИ , которая представляет собой количество энергии радиации, попавшей в облучаемый материал Для бета-излучения это численно равно эквивалентной дозе, измеряемой в зивертах , что указывает на стохастический биологический эффект низких уровней радиации на ткани человека. Коэффициент преобразования взвешивания радиации из поглощенной дозы в эквивалентную дозу равен 1 для бета-частиц, тогда как альфа-частицы имеют коэффициент 20, что отражает их большее ионизирующее воздействие на ткани.
• Рад — устаревшая единица СГС для поглощенной дозы, а бэр — устаревшая единица эквивалентной дозы СГС , используемая в основном в США.

Бета-спектроскопия

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.

Приложения

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).

История

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:

• альфа-частицы , которые не появлялись на пластинах Беккереля, поскольку легко поглощались черной оберточной бумагой.
• бета-частицы, которые в 100 раз более проникающие, чем альфа-частицы.

Он опубликовал свои результаты в 1899 году.

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 обнаружил, что e / m для бета-частицы такая же, как и для электрона Томсона, и поэтому предположил, что бета-частица на самом деле является электроном.

Здоровье

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.

См. также

• Обычные бета-излучатели
• Электронное облучение
• Физика элементарных частиц
• n (нейтронные) лучи
• δ (дельта) лучи

Дальнейшее чтение

• Радиоактивность и альфа, бета, гамма и рентгеновские лучи.
• Лекция по лучам и частицам в Университете Вирджинии
• История радиации. Архивировано 6 мая 2017 г. в Wayback Machine в Университете штата Айдахо.
• Основная информация по ядерной науке, заархивированная 5 декабря 2006 г. в Wayback Machine в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.