1 Бета-распад. Виды и свойства бета- распада. Элементы теории бета-распада. Радиоактивные семейства

Существует три вида β-распада: электронный β^–-распад, позитронный β⁺-распад и электронный захват(е-захват). Основным видом является первый.

При электронном β^–-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

 . (1.41а)

Примеры: распад свободного нейтрона

распад трития

При позитронном β⁺-распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

Пример

В случае электронного е-захвата ядро захватывает электрон с электронной оболочки (чаще К-оболочки) собственного атома.

Пример

Бета-распад возможен, когда разность масс начального и конечного ядер превышает сумму масс электрона и нейтрино. Всегда, когда энергетически возможен β⁺-распад, возможен и е-захват. Бета-распад наблюдается у ядер с любым массовым числом. Наблюдаемыми характеристиками при бета-распадах являются период полураспада Т_1/2, формы энергетических β-спектров и другие характеристики.

Энергия β ^– распада лежит в интервале

_·

Энергия, выделяющаяся при бета-распаде, распределяется между электроном, нейтрино и дочерним ядром. Энергетический спектр испускаемых β-частиц непрерывен от нуля до максимального значения Е_β. Формулы для вычисления максимальной энергии бета-распадов:

где – масса материнского ядра, – масса дочернего ядра. m_e – масса электрона.

Период полураспада Т_1/2 связан с вероятностью λ бета-распада соотношением

_.

Вероятность бета-распада сильно зависит от энергии бета-распада (λ~ E_β⁵ при E_β >> m_ec²), поэтому период полураспада Т_1/2 меняется в широких пределах

10^-2 сек < Т_1/2 < 2 10¹⁵ лет.

Бета-распад возникает в результате слабого взаимодействия – одного их фундаментальных взаимодействий. При бета-распаде поляризованных ядер нарушается закон сохранения пространственной четности (Ву 1956 г.).

Основная идея теории Э.Ферми (1934 г.): электрон и антинейтрино, испускаемые в процессе распада нейтрона, не входят в состав нейтрона, а рождаются в результате слабого взаимодействия, переводящего нейтрон в протон. Учитывая короткодействующий характер слабого взаимодействия, Ферми предложил рассматривать взаимодействие этих четырех частиц (четырех фермионов) в одной точке с постоянной G_F. Тогда распад свободного нейтрона можно представить графически в виде феймановской диаграммы четырех линий, пересекающихся в точке.

Четырехфермионное взаимодействие наводит на мысль, что слабое взаимодействие переносится промежуточной частицей со спином 1, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится векторной частицей – фотоном (см. рис.2.8). Однако частица – квант слабого взаимодействия должна обладать электрическим зарядом и иметь большую массу. Постоянная слабого взаимодействия G_F =10^-49 эрг^.см³ связана с массой этого векторного бозона W соотношением

.

Если положить заряд векторного бозона g равным заряду электрона e^-, то масса векторного бозона ГэВ. Этот квант слабого взаимодействия (их оказалось три) был обнаружен экспериментально в 1986г.

Устойчивость ядер (в среднем) понижается с возрастанием числа нуклонов А в ядре. Все тяжелые ядра с А > 209 нестабильны по отношению к альфа-распаду, т.к. кулоновская энергия отталкивания протонов в ядре становится сравнима с ядерными силами притяжения нуклонов. При каждом α-распаде ядро теряет четыре нуклона, из них два протона. В результате доля нейтронов в ядре возрастает, а само ядро становится меньшего размера. Поэтому ядру становится энергетически выгоднее избавиться от избыточного нейтрона через процесс бета-распада. Чередуя процессы α-распада и β-распада, ядро стремится приблизиться к «дороге β-стабильности», т.е. состоянию, при котором число нейтронов приблизительно равно числу протонов.

Законы смещения ядер при α-распаде (А→А – 4 ; Z→Z – 2) при β-распаде (А→А; Z→Z+1). Поскольку массовое число А при α-распаде меняется на 4, а при β-распаде А не меняется, то члены различных радиоактивных семейств не «перепутываются» между собой. Они образуют отдельные радиоактивные ряды (цепочки ядер), которые кончаются своими стабильными изотопами.

Массовые числа членов каждого радиоактивного семейства характеризуются формулой

Семейство	Начальный изотоп	Конечный стабильный изотоп	Ряд	Период полураспада начального изотопа Т1/2
тория		свинец	4n+0	14.10 9 лет
урана		свинец	4n+2	4,5.10 9 лет
актиноурана		свинец	4n+3	0,7.10 9 лет
нептуния		висмут	4n+1	2,2.10 6 лет

Из сравнения периодов полураспада родоначальников семейств с геологическим временем жизни Земли (4,5 млрд. лет) видно, что в веществе Земли торий-232 сохранился почти весь, уран-238 распался примерно наполовину, уран-235 – большей частью, нептуний-237 практически весь.