176.60.78.19: /* Типы бета-частиц */ распад протона - совсем про другое.

2025-11-30T04:59:06Z

Типы бета-частиц: распад протона - совсем про другое.

Новая страница

[[Файл:Beta-minus Decay.svg|thumb|Бета-распад]]

'''Бе́та-части́цы''' ({{Lang-en|beta particles}}, {{Lang-de|Betateilchen}}, '''β-частицы''') — [[электрон]]ы и [[позитрон]]ы, которые вылетают из [[атом]]ных [[Атомное ядро|ядер]] некоторых [[Радиоактивный распад|радиоактивных]] веществ при радиоактивном [[бета-распад]]е. Направление движения бета-частиц изменяется [[Магнитное поле|магнитными]] и [[Электрическое поле|электрическими полями]], что свидетельствует о наличии в них электрического заряда. Скорости электронов достигают 0,998 [[Скорость света|скорости света]]. Бета-частицы [[ион]]изируют [[газ]]ы, вызывают [[Люминесценция|люминесценцию]] многих веществ, действующих на фотоплёнки. Поток бета-частиц называют ''бета-излучением.''

Бета-частицы — заряженные частицы, а потому интенсивно взаимодействуют с веществом на всей длине своего пробега. Они оставляют за собой [[Трек (физика)|трек]] [[Ионизация|ионизированных]] [[атом]]ов и [[Молекула|молекул]]. При детектировании в [[Камера Вильсона|камерах Вильсона]] и [[Пузырьковая камера|пузырьковых камерах]] в [[Магнитное поле|магнитном поле]], трек закручивается, что позволяет идентифицировать бета-частицы по отношению заряда к их [[Масса|массе]].

Известно более 1500 ядер, излучающие бета-частицы при распаде<ref>[http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/3_2_2.pdf Бета — распад] {{Wayback|url=http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/3_2_2.pdf |date=20161213080124 }}{{Ref|ru}}</ref>.

== История ==
После открытия [[Беккерель, Антуан Анри|Анри Беккерелем]] в 1896 году радиоактивного излучения, началось его активное исследование. В 1899 году [[Резерфорд, Эрнест|Эрнест Резерфорд]] опубликовал работу, в которой он показал, что существует несколько типов излучаемых частиц: тяжёлые, положительно заряженные частицы с малой проникающей способностью, получившие название [[Альфа-частица|альфа-излучения]], и лёгкие, отрицательно заряженные частицы с в сто раз большим пробегом в веществе, которые он назвал бета-излучением. В 1900 году Беккерель, измерив отношение заряда бета-частиц к их массе, показал, что эти частицы являются электронами.

В 1930 году, разрабатывая теорию [[бета-распад]]а, [[Ферми, Энрико|Энрико Ферми]] предположил, что бета-частицы не содержатся в ядре, но образуются при распаде нейтрона. Теория Ферми в дальнейшем стала основой для построения современных теорий [[Слабое взаимодействие|слабого взаимодействия]].

== Типы бета-частиц ==
Существует два типа бета-распада, и, соответственно, два типа бета-частиц, при этом образуются:

* β - частица — [[электрон]]. Образуется при распаде нейтрона по схеме <math> n \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu} </math>, Где n — нейтрон, p + — [[протон]], e - — электрон, <math> \bar{\nu} </math> — антинейтрино. По такой схеме распадаются как свободные нейтроны, так и много природных изотопов, имеющих избыток нейтронов.
* β + частица — [[позитрон]]. Образуется при [[Позитронный распад|распаде протона]] по схеме <math> p^+ \rightarrow n + e^+ + \nu </math>. По этой схеме распадаются тяжёлые ядра.

== Источники излучения ==
Непосредственно, бета-частицы образуются при распаде [[Виртуальная частица|виртуального]] заряженного W--бозона на электрон и антинейтрино. Бозон, в свою очередь, образуется при распаде d-кварка, что находится в нейтроне, на u-кварк и W - бозон. В случае позитронного распада все эти реакции происходят с обратными знаками: u-кварк в протоне распадается с образованием d-кварка и W+-бозона, что распадается на позитрон и нейтрино.

При бета-распаде часто кроме бета-частиц образуются и гамма-кванты, поэтому более широкое практическое применение имеют чистые бета-излучатели. К ним относятся нуклиды<ref>[http://profbeckman.narod.ru/NIL9.pdf ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ] {{Wayback|url=http://profbeckman.narod.ru/NIL9.pdf |date=20161125111642 }}{{Ref|ru}}</ref>:

* [[Тритий|Водород-3]] ([[тритий]])
* [[Железо-55]]
* [[Никель-63]]
* [[Криптон-85]]
* [[Стронций-90]]
* [[Иттрий-90]]
* [[Рутений-106]]
* [[Родий-106]]
* [[Церий-144]]
* [[Празеодим-144]]
* [[Прометий-147]]
* [[Таллий-204]]

и другие.

Конструктивно источники бета-частиц представляют собой капсулу, содержащую радиоактивный изотоп и отверстие, через которое излучаются частицы.

== Спектр ==
[[Файл:RaE1.jpg|мини| Спектр энергий бета-частиц образующихся при распаде [[висмут]]а −210]]
В отличие от [[Альфа-частица|альфа-частиц]], спектр которых имеет выраженные пики, спектр бета-частиц является сплошным. Это связано с тем, что при распаде [[W- и Z-бозоны|W-бозона]], энергия распределяется между двумя продуктами этого распада произвольно, и возможны любые комбинации энергий нейтрино и электрона. Максимальная энергия бета-частицы зависит от типа распада, и равна [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -me]c 2 для β- и [M (A, Z) -M (A, Z-1) -me]c 2 для β+, где M (A, Z) — масса ядра нуклида с порядковым номером Z и количеством нуклонов в ядре A<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/008.htm Бета-распад] {{Wayback|url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/008.htm |date=20220106145722 }}{{Ref|ru}}</ref>.

Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад [[Тритий|трития]]), до 20 МэВ (распад лития-11)

Также диапазон энергий бета-частиц смещается благодаря действию кулоновских сил, тормозящих электроны и ускоряющих позитроны.

Конкретный спектр энергий бета-частиц описывается следующим уравнением<ref>[http://chem21.info/page/136110250018163117184026130232226207058028046129/ Радиоактивный распад] {{Wayback|url=http://chem21.info/page/136110250018163117184026130232226207058028046129/ |date=20210501125412 }}{{Ref|ru}}</ref>:

: <math>N(\gamma)d\gamma=G^2|m|^2f(Z,\gamma)(\gamma_0-\gamma)^2(\gamma^2-1)^{1/2}\gamma d\gamma</math>

где γ — энергия в единицах mc2, то есть E/mc2, N (γ) dγ — часть ядер, излучающие бета-частицы с энергией γ за единицу времени, f (Z, γ) — функция, выражающая действие кулоновских сил на частицу, | m |2 — квадрат матричного элемента определяет вероятность распада, γ0 — предельная энергия распада, а G — некоторая константа.

В некоторых случаях, бета-распад происходит с возбуждением состояния ядра, энергия которого затем передается электронам с электронной оболочки атома. Это явление называется [[внутренняя конверсия]]. В таком случае, спектр бета-частиц имеет несколько ярко выраженных пиков<ref name="nuclab1">[http://nuclab1.phys.spbu.ru/common/3.pdf Взаимодействие бета-частиц с веществом] {{Wayback|url=http://nuclab1.phys.spbu.ru/common/3.pdf |date=20170105175548 }}{{Ref|ru}}</ref>.

Спектр бета-частиц исследуется с помощью [[бета-спектрометр]]а.

== Взаимодействие с веществом ==

=== Средняя длина пробега ===
Бета-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами в веществе до полной остановки. Пробег бета-частиц зависит от их энергии. Эффективный пробег (толщина слоя вещества, которая останавливает практически все частицы) представлен в таблице<ref name="a11">[http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a11.htm Взаимодействие частиц с веществом] {{Wayback|url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a11.htm |date=20161120022157 }}{{Ref|en}}</ref>:
{| class="wikitable"
! rowspan="2" | вещество
! 0,05 МэВ
! 0,5 МэВ
! 5 МэВ
! 50 МэВ
|-
! colspan="4" |длина пробега β-частицы, cм
|-
| воздух
| 4,1
| 160
| 2000
| 17000
|-
| вода
| 4,7 · 10 −3
| 0,19
| 2,6
| 19
|-
| алюминий
| 2 · 10 −3
| 0,056
| 0,95
| 4,3
|-
| свинец
| 5 · 10 −4
| 0,02
| 0,3
| 1,25
|}

В большинстве случаев для защиты от бета-частиц достаточно экрана из оргстекла толщиной в 1-2 сантиметра<ref name="mrkvant">[http://www.mrkvant.com.ua/radiation/4 Бета-излучение] {{Wayback|url=http://www.mrkvant.com.ua/radiation/4 |date=20200728135250 }}{{Ref|ru}}</ref>, или металлического листа толщиной 3-5 миллиметров.

=== Взаимодействие с электронными оболочками ===
При столкновениях с атомами бета-частица может ионизировать атом, или перевести его в возбуждённое состояние. Оба события имеют примерно равные вероятности, а энергия теряемая таким образом называется ''ионизационными потерями.''

Средние потери энергии электроном при прохождении слоя простого вещества, можно выразить следующей формулой, открытой [[Ландау, Лев Давидович|Ландау]]<ref name="nuclab1" />:

: <math>\Delta E=0,6\rho(Z/A)\Delta x / \beta^2</math> ,

где Δx — толщина слоя вещества, ρ — плотность вещества, β — скорость электрона в единицах c, Z и A — заряд и масса элемента.

Однако, применять эту формулу к реальным бета-частицам стоит с осторожностью, потому что она описывает монохромный пучок электронов, а в естественном их пучке всегда существуют электроны различных энергий, которые будут тормозиться с разной скоростью.

=== Взаимодействие с атомными ядрами ===
При взаимодействии с [[Атомное ядро|ядром]] электроны могут однократно или многократно рассеиваться в кулоновском поле ядра. Особенностью бета-частиц является то, что, из-за малой массы, при рассеянии их импульс может сильно меняться, что приводит к [[Тормозное излучение|тормозному излучению]]. Для высокоэнергетических электронов такое излучение является более значимым каналом потери энергии<ref name="a11" />. Излучённые гамма-кванты могут, в свою очередь, также выбивать электроны, что приводит к образованию каскадов электронов в веществе. Энергия бета-частиц, при которой потери на излучение уравниваются с ионизационными потерями называется ''критической энергией.'' В зависимости от вещества, критическая энергия может принимать значения от 83 МэВ (воздух) до 7 МэВ (свинец) — таким образом, поскольку энергия частиц, образующихся при бета-распаде, редко превышает 5 МэВ, этот канал не является основным.

Благодаря рассеянию на ядрах, бета-частицы сильно меняют направление своего движения: средний угол отклонения бета-частицы пропорционален квадратному корню из толщины пройденного слоя вещества, а при достаточно толстом слое, говорить о направлении движения электронов уже нельзя, а их перемещение больше напоминает [[Диффузия|диффузию]]<ref name="nuclab1" />.

=== Черенковское излучение ===
[[Файл:TrigaReactorCore.jpeg|мини| Излучение Вавилова-Черенкова в реакторе класса [[TRIGA]]]]
Поскольку скорости бета-частиц, как правило, близки к скорости света, при попадании в прозрачную среду они движутся быстрее, чем свет в этой среде, что приводит к возникновению черенковского излучения. Такое излучение характерно, например, для ядерных реакторов, использующих воду в качестве замедлителя нейтронов.

=== Обратное рассеяние ===
Также, при попадании бета-частиц на поверхность некоторого материала, некоторые из них отражаются на большие углы (> 90 °). Этот явление называется ''[[Обратное рассеяние|обратным рассеянием]]''. Часть частиц, отразившихся на большие углы после падения на поверхность вещества называется ''коэффициентом обратного рассеяния.'' Этот коэффициент качественно зависит от атомного номера вещества, энергии падающих частиц и толщины слоя вещества следующим образом<ref name="nuclab1" />:

# Возрастает пропорционально заряду ядра в степени 2/3
# Возрастает пропорционально толщине слоя вещества, вплоть пока она не станет равной примерно 1/5 от эффективной длины пробега бета-частиц в этом веществе, после чего дальнейший рост перестает влиять на коэффициент. Такая толщина называется ''толщиной насыщения.''
# Возрастает с ростом максимальной энергии бета-частиц до значения 0,6 МэВ, после чего остается практически неизменным.

== Детектирование бета-частиц ==
Основным способом детектирования бета-частиц является измерение создаваемой ими ионизации<ref name="nuclab1" />. Для детектирования частиц сравнительно небольших энергий наиболее распространены газонаполненные счётчики (такие как [[Счётчик Гейгера|счетчик Гейгера — Мюллера]]) или твёрдотельные счётчики. Для детектирования электронов более высоких энергий используются счётчики, фиксирующие [[Эффект Вавилова — Черенкова|черенковское излучения]], создаваемого быстрыми частицами.

== Использование ==

=== Бета-терапия ===
Бета-частицы используются в медицине — облучение электронами, образующимися при бета-распаде. Бета-терапия является разновидностью [[Радиотерапия|лучевой терапии]], и используется для лечения [[Опухоль|опухолей]] и других патологических изменений в тканях. Существует несколько форм бета-терапии: излучающие аппликаторы могут прикладываться к пораженным участкам тела, или же растворы, содержащие в себе излучающие изотопы могут вводиться внутриполостно<ref>{{Cite web |url=http://medical-enc.com.ua/beta-therapy.htm |title=Бета-терапія |access-date=2021-05-01 |archive-date=2017-01-06 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170106102426/http://medical-enc.com.ua/beta-therapy.htm |url-status=live }}</ref>.

=== Измерение толщины тонких слоёв ===
С помощью явления обратного рассеяния можно очень точно определять толщину тонких слоёв вещества, таких как бумага — до некоторого значения, количество отраженных электронов возрастает пропорционально толщине слоя вещества. Также, такие измерения можно проводить, замерив долю бета-частиц, поглощённых веществом<ref>[http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/physics/beta-radiation-in-thickness-control.html Beta Radiation in Thickness Control] {{Wayback|url=http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/physics/beta-radiation-in-thickness-control.html |date=20170106010859 }}{{Ref|en}}</ref>. С помощью обратного рассеяния можно, также, измерять толщину покрытия, не повреждая его<ref name="nuclab1" />.

=== Подсветка ===
Поскольку бета-частицы вызывают свечение при попадании на поверхность, покрытую [[люминофор]]ом, они используются для создания очень долговечных источников освещения: для этого небольшое количество излучающего изотопа (например, [[Тритий|трития]]) наносят на поверхность, которая будет служить источником света, и дополнительно покрывают люминофором. Бета-частицы, излучаемые изотопом, заставляют поверхность светиться в течение десятков лет. Таким образом часто подсвечиваются стрелки часов и других приборов<ref>[http://www.popmech.ru/technologies/181231-tritiy-ne-lishniy/#full Тритий: часы с радиоактивной подсветкой ] {{Wayback|url=http://www.popmech.ru/technologies/181231-tritiy-ne-lishniy/#full |date=20161117184944 }}{{Ref|ru}}</ref>.

== Воздействие на организм ==
Бета-частицы хорошо задерживаются одеждой, поэтому опасность представляют, в первую очередь, при попадании на кожу или внутрь организма. Так, после [[Авария на Чернобыльской АЭС|чернобыльской катастрофы]] люди получали бета-ожоги ног, потому что ходили босиком<ref name="mrkvant" />.

Основным фактором влияния бета-излучения на организм является создаваемая им ионизация. Она может привести к нарушению метаболизма в клетке и в дальнейшем к её смерти. Особенно опасной является высвобождение энергии бета-частицы рядом с молекулой [[Дезоксирибонуклеиновая кислота|ДНК]], что приводит к потенциально онкологически опасным мутациям<ref>[http://www.eco.nw.ru/lib/data/07/4/030407.htm b-ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА] {{Wayback|url=http://www.eco.nw.ru/lib/data/07/4/030407.htm |date=20161128104219 }}{{Ref|ru}}</ref>. В случае больших доз облучения, одновременно гибель большого количества клеток в тканях может вызвать их патологические изменения ([[Острая лучевая болезнь|лучевая болезнь]]). Наиболее уязвимыми для радиации является [[Слизистая оболочка|слизистые оболочки]], органы [[Гемопоэз|кроветворения]]. Гибель [[Нервная ткань|нервных клеток]] опасна из-за их низкого уровня восстановления. Внешнее облучение бета-излучением часто приводит к развитию [[Рак кожи|рака кожи]], чаще всего [[Меланома|меланом]].

Относительная биологическая эффективность бета-излучения равна единице (для сравнения, для [[альфа-частица|альфа-частиц]] этот показатель равен 20), потому что энергия, которую несёт бета-частица, является относительно небольшой<ref>[http://chem21.info/page/143004075075006212174072146202229106246003133107/ ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПОВ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ]{{Ref|ru}}</ref>.

Также [[Гамма-излучение|гамма-кванты]] тормозного излучения, создаваемые бета-частицами при движении в веществе, имеют значительно большую проникающую способность, а потому могут нести дополнительную опасность<ref>[https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/383636/JSP392_Lft_19_GTLS_GTLD.pdf Gaseous Tritium Light Sources (GTLSs) and Gaseous Tritium Light Devices (GTLDs)] {{Wayback|url=https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/383636/JSP392_Lft_19_GTLS_GTLD.pdf |date=20151008170027 }}{{Ref|en}}</ref>.

== Дельта и эпсилон-излучения ==
Существуют и другие типы излучения, частицами которого являются электроны.

Электроны, выбивающиеся частицами из атомов при ионизации, образуют так называемое [[дельта-излучения]]<ref>[https://www.britannica.com/science/delta-ray Delta ray] {{Wayback|url=https://www.britannica.com/science/delta-ray |date=20200810025342 }}{{Ref|en}}</ref>. Дельта-частицы (или дельта-электроны) являются электронами как и бета-частицы, однако их энергия редко превышает 1 кэВ, а спектр отличается от спектра бета-частиц. Дельта-электроны тоже могут, в свою очередь, выбивать другие электроны, вызывая третичную [[Ионизация|ионизацию]]. Электроны, выбитые дельта-частицами, называются эпсилон-частицами.

== Примечания ==
{{Примечания}}

{{ВС}}
{{Классификации частиц}}

[[Категория:Ядерная физика]]
[[Категория:Радиоактивность]]
[[Категория:Излучение]]
[[Категория:Частицы (физика)]]
[[Категория:Заряженные частицы]]
[[Категория:Радиолюминесценция]]

Бета-частица - История изменений

176.60.78.19: /* Типы бета-частиц */ распад протона - совсем про другое.