Бета-распад: электронный, позитронный, обратный (тип радиоактивного распада)

Различие между стабильным и нестабильным ядром

Способность к распаду напрямую зависит от состояния атома. Так называемое «стабильное» или нерадиоактивное ядро свойственно нераспадающимся атомам. В теории наблюдение за такими элементами можно вести до бесконечности, чтобы окончательно убедиться в их стабильности. Требуется это для того, чтобы отделить такие ядра от нестабильных, которые имеют крайне долгий период полураспада.

По ошибке такой «замедленный» атом можно принять за стабильный. Однако ярким примером может стать теллур, а конкретнее, его изотоп с номером 128, имеющий период полураспада в 2,2·1024 лет. Этот случай не единичный. Лантан-138 подвержен полураспаду, срок которого составляет 1011 лет. Этот срок в тридцать раз превышает возраст существующей вселенной.

Бета-распад

    Явление β-распада состоит в том, что ядро(A,Z)
самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и
электронное нейтрино (электронное антинейтрино),
переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу большим или меньшим.
При e-захвате ядро поглощает один из электронов
атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки),
испуская нейтрино.В литературе для e-захвата
часто используется термин EC (Electron Capture).
    Существуют три типа β-распада – β—распад, β+-распад
и е-захват.

    Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием.
Бета-распад —
процесс не внутриядерный, а внутринуклонный.
В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при
этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия β—распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой):

    β-распад, также как и α-распад, происходит между дискретными состояниями начального
(A,Z)
и конечного (A,Z±1)
ядер. Поэтому долгое время после открытия явления β-распада
было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при β-распаде
были непрерывными, а не дискретными, как спектры α-частиц.
    На рис. 3.1 показаны спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β—распаде
изотопа 40K.

Рис. 3.1. Спектры электронов и антинейтрино,
образующихся при β—распаде изотопа 40K,40K →
40Ca +
e- +
_e.

    Считалось даже, что в β-распаде
не выполняется закон сохранения энергии. Объяснение непрерывного характера β-спектра
было дано В. Паули, который высказал гипотезу, что при β-распаде
вместе с электроном рождается ещё одна частица с маленькой массой,
т.е. β-распад − трехчастичный процесс. В конечном состоянии образуется ядро (A,Z±1),
электрон и лёгкая нейтральная частица – нейтрино (антинейтрино). Т.к. масса ядра
(A,Z±1)
гораздо больше масс электрона и нейтрино, энергия β-распада
уносится лёгкими частицами. Распределение энергии β-распада Q_β
между электроном и этой нейтральной частицей приводит к непрерывному β-спектру
электрона.
    Из закона сохранения энергии следует, что спектр
антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов.

N_ν(E) = N_e(Q_β – E),

где N_ν(E) − число антинейтрино
с энергией Е, N_e(Q_β – E) − число электронов с
энергией (Q_β – E), Q_β − энергия β-распада,
равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино (энергия ядра
отдачи 40Ca не учитывается).
    Наряду с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения в
процессе β-распада выполняются
законы сохранения барионного B
и электронного лептонного L_e
квантовых чисел.

• Электроны, нейтрино имеют B = 0, L_e = +1.
• Позитроны, антинейтрино имеют B = 0, L_e = −1. 
• Каждый нуклон, входящий в состав ядра, имеет B = +1, L_e = 0.

    Поэтому появление электрона при β—распаде
всегда сопровождается образованием антинейтрино. При β+-распаде
образуются позитрон и нейтрино. При е-захвате из ядра вылетают нейтрино.
Так как е-захват – двухчастичный процесс, спектры нейтрино и ядра отдачи
являются дискретными. Наблюдение дискретного спектра ядер отдачи, образующихся
при е-захвате, было первым подтверждением правильности гипотезы Паули.
    β-радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа A, начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми
числами самых тяжелых ядер.
    За счет того, что интенсивность слабых
взаимодействий, ответственных за β-распад, на много порядков меньше
ядерных, периоды полураспада β-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок минут и
часов. Для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и углового момента
при распаде нуклона внутри ядра, оно должно перестраиваться. Поэтому
период, а также другие характеристики β-распада в сильной
степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды
β-распада варьируются почти в столь же широких пределах, как и периоды α-распада. Они
лежат в интервале T_1/2(β) = 10-6 с – 1017
лет.

Радиоактивность природных элементов

Экспериментально установлено, что радиоактивны, то есть не имеют стабильных изотопов, все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута).

Все более лёгкие элементы, помимо стабильных изотопов, имеют радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада, варьирующимися от долей наносекунды до значений, на много порядков превышающих возраст Вселенной. Например, теллур-128 имеет самый долгий измеренный период полураспада из всех изученных радионуклидов, ~2,2·1024 лет.

Исключение по нестабильности из элементов легче висмута составляют прометий и технеций, не имеющие долгоживущих относительно длительности геологических эпох изотопов. Наиболее долгоживущий изотоп технеция — технеций-98 — имеет период полураспада около 4,2 млн лет, а самый долгоживущий изотоп прометия — прометий-145 — 17,5 лет. Поэтому изотопы технеция и прометия со времени формирования Земли не сохранились в земной коре и получены искусственно.

Существует много природных радиоактивных изотопов, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли или многократно превышает его, поэтому, несмотря на их радиоактивность, эти изотопы содержатся в природной изотопной смеси соответствующих элементов. Примерами могут служить калий-40, рений-187, рубидий-87, теллур-128 и многие другие.

Измерение отношения концентраций некоторых из долгоживущих изотопов и продуктов их распада позволяет абсолютно геологически датировать время кристаллизации горных минералов, пород и метеоритов.

Альфа-частицы.

Альфа-частицы отклоняются в магнитном и электрическом полях меньше других, что затрудняло их идентификацию. Окончательно природу α-частиц удалось выяснить Э. Резерфорду. С помощью экспериментов в магнитном поле он определил соотношение заряда и массы. С помощью счетчика Гейгера измерил количество частиц, испущенных препаратом за определенное время, а с помощью электрометра определил их суммарный заряд, рассчитав, таким образом, заряд одной α-частицы (+2). Экспериментально природа альфа-частиц была подтверждена с помощью спектрального анализа газа, образовавшегося за несколько дней в резервуаре, в котором Резерфорд собирал α-частицы. Каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в гелий.

Практическое значение альфа-распада[править]

Огромнейшее значение альфа-распад имеет в области использования ядерной энергии, в частности в радиоизотопной энергетике. Используемые альфа-радиоактивные изотопы в всевозможных радиоизотопных источниках энергии представляют собой наиболее мощные источники энергии, и в сравнении с бета-радиоактивными изотопами выделяют на порядок большую энергию. Помимо этой области, альфа-распад ряда изотопов имеет огромное значение в производстве и применении разнообразных нейтронных источников, в которых используется альфа-нейтронная ядерная реакция с бериллием:

Наиболее технологически отработанные полоний-бериллиевый, Плутоний-238-бериллиевый источники нейтронов используются в самых разнообразных научных областях исследования, при нейтронно-активационных анализах вещества, при нейтронном каротаже буровых скважин и др.

Теория

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путём через соответствующие ядерные реакции.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро. Последовательность таких распадов называется цепочкой распадов, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Ядра с одинаковым массовым числом A (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β−-, и β+-распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:

1940K+e−→1840Ar+νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}+e^{-}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+\nu _{e},}

1940K→1840Ar+e++νe,{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{18}^{40}{\textrm {Ar}}+e^{+}+\nu _{e},}

1940K→2040Ca+e−+ν¯e.{\displaystyle {}_{19}^{40}{\textrm {K}}\rightarrow {}_{20}^{40}{\textrm {Ca}}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}

История открытия

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей.

Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.

24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук он сделал сообщение «Об излучении, производимых фосфоресценцией». Но уже через несколько дней в интерпретацию полученных результатов пришлось внести корректировки. 26 и 27 февраля в лаборатории Беккереля был подготовлен очередной опыт с небольшими изменениями, но из-за облачной погоды он был отложен. Не дождавшись хорошей погоды, 1 марта Беккерель проявил пластинку, на которой лежала урановая соль, так и не облучённая солнечным светом. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. Уже 2 марта Беккерель доложил об этом открытии на заседании Парижской Академии наук, озаглавив свою работу «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами».

Впоследствии Беккерель испытал и другие соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.

Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу — урану.

Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.

Но и после этого супруги Кюри мужественно делали своё дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от лучевой болезни (дожив, тем не менее, до 66 лет).

В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают из-за радиоактивного загрязнения, внесённого при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.

Бета-распад.

Бета-распад наблюдается как у тяжелых, так и у легких ядер, например, у трития. Эти легкие частицы (быстрые электроны) обладают более высокой проникающей способностью. Так, в воздухе b-частицы могут пролететь несколько десятков сантиметров, в жидких и твердых веществах – от долей миллиметра до примерно 1 см. В отличие от a-частиц, энергетический спектр b-лучей не дискретный. Энергия вылетающих из ядра электронов может меняться почти от нуля до некоторого максимального значения, характерного для данного радионуклида. Обычно средняя энергия b-частиц намного меньше, чем у a-частиц; например, энергия b-излучения 228Ra составляет 0,04 МэВ. Но бывают и исключения; так b-излучение короткоживущего нуклида 11Ве несет энергию 11,5 МэВ. Долго было неясно, каким образом из одинаковых атомов одного и того же элемента вылетают частицы с разной скоростью. Когда же стало известно понятно строение атома и атомного ядра, появилась новая загадка: откуда вообще берутся вылетающие из ядра b-частицы – ведь в ядре никаких электронов нет. После того как в 1932 английский физик Джеймс Чедвиком открыл нейтрон, отечественные физики Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904–1994) и Игорь Евгеньевич Тамм и независимо немецкий физик Вернер Гейзенберг предположили, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. В таком случае b-частицы должны образоваться в результате внутриядерного процесса превращения нейтрона в протон и электрон: n p + e. Масса нейтрона немного превышает суммарную массу протона и электрона, избыток массы, в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2, дает кинетическую энергию вылетающего из ядра электрона, поэтому b-распад наблюдается, в основном, у ядер с избыточным числом нейтронов. Например, нуклид 226Ra – a-излучатель, а все более тяжелые изотопы радия (227Ra, 228Ra, 229Ra и 230Ra) – b-излучатели.

Оставалось выяснить, почему b-частицы, в отличие от a-частиц, имеют сплошной спектр энергии, это означало, что одни из них обладают очень малой энергией, а другие – очень большой (и при этом движутся со скоростью, близкую к скорости света). Более того, суммарная энергия всех этих электронов (она была измерена с помощью калориметра) оказалась меньше, чем разность энергии исходного ядра и продукта его распада. Снова физики с толкнулись с «нарушением» закона сохранения энергии: часть энергии исходного ядра непонятно куда исчезала. Незыблемый физический закон «спас» в 1931 швейцарский физик Вольфганг Паули, который предположил, что при b-распаде из ядра вылетают две частицы: электрон и гипотетическая нейтральная частица – нейтрино с почти нулевой массой, которая и уносит избыток энергии. Непрерывный спектр b-излучения объясняется распределением энергии между электронами и этой частицей. Нейтрино (как потом оказалось, при b-распаде образуется так называемое электронное антинейтрино ) очень слабо взаимодействует с веществом (например, легко пронзает по диаметру земной шар и даже огромную звезду) и потому долго не обнаруживалось – экспериментально свободные нейтрино были зарегистрированы только в 1956 г. Таким образом, уточненная схема бета-распада такова: n p + . Количественную теорию b-распада на основе представлений Паули о нейтрино разработал в 1933 итальянский физик Энрико Ферми, он же предложил название нейтрино (по-итальянски «нейтрончик»).

Превращение нейтрона в протон при b-распаде практически не изменяет массу нуклида, но увеличивает заряд ядра на единицу. Следовательно, образуется новый элемент, смещенный в периодической таблице на одну клетку вправо, например: , , и т.д. (одновременно из ядра вылетают электрон и антинейтрино).

Гамма-распад

Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных

распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.

Таблица распадов

История изучения радиоактивного излучения. Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую, названную —излучением.
Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была
открыта позже, в 1900 году, Полем Виллардом и названа по аналогии с
резерфордовским рядом γ-излучением. Резерфорд и его сотрудники показали,
что радиоактивность связана с распадом атомов (значительно позже стало
ясно, что речь идет о распаде атомных ядер), сопровождающимся выбросом
из них определенного типа излучений. Этот вывод нанес сокрушительный
удар по господствовавшей в физике и химии концепции неделимости атомов.     В последующих исследованиях Резерфорда было показано, что α-излучение представляет собой поток α-частиц, которые являются не чем иным, как ядрами изотопа гелия 4Не, а β-излучение состоит из электронов и γ-излучение является потоком высокочастотных электромагнитных квантов, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденных в более низколежащие состояния.     β-распада ядер.
Теория этого явления была создана лишь в 1933 году Энрико Ферми,
который использовал гипотезу Вольфганга Паули о рождении в β-распаде
нейтральной частицы, имеющей близкую к нулю массу покоя и названной
нейтрино .
Ферми обнаружил, что β-распад обусловлен новым типом взаимодействия
частиц в природе — «слабым» взаимодействием и связан с процессами
превращения в родительском ядре нейтрона в протон с испусканием
электрона е- и антинейтрино (β—распад), протона в нейтрон с испусканием позитрона е+ и нейтрино ν (β+-распад), а также с захватом протоном атомного электрона и испусканием нейтрино ν (электронный захват).     Четвертый вид радиоактивности, открытый в России в 1940 году молодыми физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком,
связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые
достаточно тяжелые ядра распадаются на два осколка с примерно равными
массами.     Но и деление не исчерпало всех видов радиоактивных
превращений атомных ядер. Начиная с 50-х годов физики методично
приближались к открытию протонной радиоактивности ядер. Для того чтобы
ядро, находящееся в основном состоянии, могло самопроизвольно испускать
протон, необходимо, чтобы энергия отделения протона от ядра была
положительной. Но таких ядер в земных условиях не существует, и их
необходимо было создать искусственно. К получению таких ядер были очень
близки российские физики в Дубне, но протонную радиоактивность открыли в
1982 году немецкие физики в Дармштадте, использовавшие самый мощный в
мире ускоритель многозарядных ионов.     Наконец, в 1984 году
независимые группы ученых в Англии и России открыли кластерную
радиоактивность некоторых тяжелых ядер, самопроизвольно испускающих
кластеры — атомные ядра с атомным весом от 14 до 34.

Теория

Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у радия-226 или урана-238. Альфа-радиоактивные ядра в таблице нуклидов появляются начиная с атомного номера 52 (теллур) и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада. Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.

Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7. Среди лёгких нуклидов альфа-распад из основного состояния испытывают гелий-5 (распадается в α + n), литий-5 (α + p), бериллий-6 (α + 2p), бериллий-8 (2α) и бор-9 (2α + p).

Альфа-частица испытывает туннельный переход через потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера — Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима 144Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония 212mPo.
В общем виде формула альфа-распада выглядит следующим образом:

Пример альфа-распада для изотопа 238U:

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Поль Виллар проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.