Beta-henfald

Beta-henfald ( β - henfald) er en type radioaktivt henfald på grund af den svage vekselvirkning og ændring af ladningen af kernen med én uden at ændre massetallet [1] . I dette henfald udsender kernen en beta-partikel ( elektron eller positron ) samt en neutral partikel med et halvt heltals spin ( elektron antineutrino eller elektronneutrino ).

Traditionelt er to typer henfald klassificeret som beta-henfald:

kernen (eller neutronen ) udsender en elektron og en antineutrino - "beta minus henfald" ( β − ).
kernen udsender en positron og en neutrino - "beta plus henfald" ( β + ).

Elektronhenfald producerer antineutrinoer, og positronhenfald producerer neutrinoer. Dette skyldes den grundlæggende lov om bevarelse af leptonladninger .

Udover β − og β + -henfald omfatter beta-henfald også elektronindfangning ( e -capture), hvor kernen fanger en elektron fra sin elektronskal og udsender en elektronneutrino.

Neutrinoer (antineutrinoer), i modsætning til elektroner og positroner, interagerer ekstremt svagt med stof og fører en del af den tilgængelige henfaldsenergi med sig.

Forfaldsmekanisme

I β - henfald gør en svag interaktion en neutron til en proton , mens en elektron og en elektron antineutrino udsendes :

n^{0}\højrepil p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}

På et grundlæggende niveau (vist i Feynman-diagrammet ) skyldes dette transformationen af en d-kvark til en u-kvark , der udsender en virtuel W - boson , som igen henfalder til en elektron og en antineutrino.

Den frie neutron oplever også β − henfald (se neutron beta henfald ). Dette skyldes, at neutronens masse er større end protonens, elektronens og antineutrinoens samlede masse. En neutron, der er bundet i kernen, kan kun henfalde gennem denne kanal, hvis massen af moderatomet Mi er større end massen af datteratomet Mf ( eller , generelt set, hvis den samlede energi i starttilstanden er større end total energi af enhver mulig sluttilstand) [2] . Forskellen ( M i − M f ) · c 2 = Q β kaldes den tilgængelige beta-henfaldsenergi . Det falder sammen med den samlede kinetiske energi af partiklerne, der bevæger sig efter henfaldet - en elektron, en antineutrino og en datterkerne (den såkaldte rekylkerne, hvis andel i den samlede balance af den bortførte kinetiske energi er meget lille, da den er meget mere massiv end de to andre partikler). Hvis vi negligerer bidraget fra rekylkernen, så er den tilgængelige energi, der frigives under beta-henfald, fordelt i form af kinetisk energi mellem en elektron og en antineutrino, og denne fordeling er kontinuerlig: hver af de to partikler kan have en kinetisk energi, der strækker sig fra 0 til Q β . Loven om energibevarelse tillader kun β − -henfald for ikke-negativ Q β .

Hvis neutronhenfaldet fandt sted i kernen af et atom, så optræder datteratomet under β - henfald normalt i form af en enkelt ladet positiv ion, da kernen øger sin ladning med én, og antallet af elektroner i skallen forbliver det samme. Den stabile tilstand af elektronskallen af en sådan ion kan afvige fra tilstanden af skallen af moderatomet; derfor, efter henfaldet, omarrangeres elektronskallen, ledsaget af emission af fotoner. Derudover er beta-henfald til en bundet tilstand muligt , når en lavenergielektron, der udsendes fra kernen, fanges ind i en af skallens orbitaler; i dette tilfælde forbliver datteratomet neutralt.

I β + henfald bliver protonen i kernen til en neutron, en positron og en neutrino :

p^{+}\højrepil n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.

I modsætning til β - henfald kan β + - henfald ikke forekomme uden for kernen, da massen af en fri proton er mindre end massen af en neutron (henfald kunne kun forekomme, hvis massen af protonen oversteg neutronens samlede masse, positron og neutrino). En proton kan kun henfalde gennem β + -henfaldskanalen inde i kernerne, når den absolutte værdi af datterkernens bindingsenergi er større end moderkernens bindingsenergi. Forskellen mellem disse to energier går til omdannelsen af en proton til en neutron, positron og neutrino og til den kinetiske energi af de resulterende partikler. Energibalancen under positronhenfald er som følger: ( M i − M f − 2 m e ) · c 2 = Q β , hvor m e er elektronmassen. Som i tilfældet med β − -henfald er den tilgængelige energi Q β fordelt mellem positron, neutrino og rekylkernen (sidstnævnte udgør kun en lille del); den kinetiske energi af positron og neutrino er fordelt kontinuerligt inden for området fra 0 til Q β ; henfald er kun tilladt energimæssigt for ikke-negativ Q β .

Ved positronhenfald fremstår datteratomet som en negativ enkeltladet ion, da ladningen af kernen falder med én. En af de mulige kanaler for positron-henfald er udslettelse af den nye positron med en af skalelektronerne.

I alle tilfælde, hvor β + -henfald er energetisk muligt (og protonen er en del af en kerne, der bærer elektronskaller eller er i et plasma med frie elektroner), er det ledsaget af en konkurrerende proces med elektronindfangning , hvor en atomelektron er fanget af kernen med emission af en neutrino:

p^{+}+e^{-}\højrepil n^{0}+{\nu }_{e}.

Men hvis forskellen mellem masserne af de indledende og endelige atomer er lille (mindre end det dobbelte af elektronmassen, det vil sige 1022 keV ), så sker elektronfangsten uden at være ledsaget af positronhenfald; sidstnævnte er i dette tilfælde forbudt af loven om energibevarelse . I modsætning til det tidligere betragtede elektron- og positron-beta-henfald bliver al tilgængelig energi (bortset fra rekylkernens kinetiske energi og excitationsenergien fra skallen E x ) i elektronfangst båret væk af en enkelt partikel, neutrinoen. Derfor er neutrinospektret her ikke en jævn fordeling, men en monoenergetisk linje nær Q β .

Når en proton og en neutron begge er dele af en atomkerne , omdanner beta-henfaldsprocesser et kemisk grundstof til et andet, ved siden af det periodiske system . For eksempel:

\mathrm {^{137}_{55}Cs} \rightarrow \mathrm {^{137}_{56}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu}}_{e}

( -henfald, henfaldsenergi 1175 keV [3] ),

\beta ^{-}

{\mathrm {~_{{11}}^{{22}}Na}}\højrepil {\mathrm {~_{{10}}^{{22}}Ne}}+e^{+}+{ \nu }_{e}

( -forfald),

\beta ^{+}

{\mathrm {~_{{11}}^{{22}}Na}}+e^{-}\højrepil {\mathrm {~_{{10}}^{{22}}Ne}}+{ \nu }_{e}

(elektronisk optagelse).

Beta-henfald ændrer ikke antallet af nukleoner i kernen A , men ændrer kun dens ladning Z (samt antallet af neutroner N ). Således kan et sæt af alle nuklider med samme A men forskellig Z og N (isobar kæde) indføres; disse isobariske nuklider kan sekventielt omdannes til hinanden i beta-henfald. Blandt dem er nogle nuklider (mindst én) beta-stabile, fordi de repræsenterer lokale minima for overskydende masse : hvis en sådan kerne har tallene ( A , Z ) , nabokernerne ( A , Z -1) og ( A , Z + 1) har en større overskudsmasse og kan henfalde via beta-henfald i ( A , Z ) , men ikke omvendt. Det skal bemærkes, at en beta-stabil kerne kan gennemgå andre typer radioaktivt henfald ( f.eks. alfa-henfald ). De fleste naturligt forekommende isotoper på Jorden er beta-stabile, men der er nogle få undtagelser med halveringstider så lange , at de ikke er forsvundet i de omkring 4,5 milliarder år siden nukleosyntese . For eksempel har 40 K , som oplever alle tre typer beta-henfald (beta minus, beta plus og elektronindfangning), en halveringstid på 1,277⋅10 9 år .

Beta-henfald kan ses som en overgang mellem to kvantemekaniske tilstande drevet af en forstyrrelse, så det adlyder Fermis gyldne regel .

Afhængigt af orienteringen af de resulterende partiklers spins skelnes der mellem to varianter af beta-henfald. Hvis spins af elektronen og antineutrino dannet under beta-henfald er parallelle (for eksempel beta-minus-henfald), så opstår der en overgang af Gamow-Teller-typen. Hvis spins af en elektron og en antineutrino er orienteret modsat, sker der en overgang af Fermi-typen [4] .

Curie plot

Curie-plottet [5] (også kendt som Fermi-plottet) er et diagram, der bruges til at studere beta-henfald. Dette er energiafhængigheden af kvadratroden af antallet af udsendte beta-partikler med en given energi, divideret med Fermi-funktionen. For tilladte (og nogle forbudte) beta-henfald er Curie-plottet lineært (en lige linje, der skråner opad i energi). Hvis neutrinoer har en endelig masse, så afviger Curie-plottet nær skæringspunktet med energiaksen fra den lineære, hvilket gør det muligt at måle neutrinomassen.

Dobbelt beta-forfald

Nogle kerner kan opleve dobbelt beta-henfald ( ββ- henfald), hvor ladningen af kernen ændres ikke med én, men med to enheder. I de mest praktiske tilfælde af interesse er sådanne kerner beta-stabile (dvs. simpelt beta-henfald er energetisk forbudt), fordi når både β- og ββ -henfald er tilladt, er sandsynligheden for β-henfald (normalt) meget større, hindrer undersøgelser af meget sjældne ββ -henfald. Således studeres ββ- henfald normalt kun for beta-stabile kerner. Ligesom simpelt beta-henfald ændrer dobbelt beta-henfald ikke A ; derfor skal mindst et af nukliderne med et givet A være stabilt med hensyn til både simpelt og dobbelt beta-henfald.

Historie

Historisk set har studiet af beta-henfald ført til det første fysiske bevis for eksistensen af neutrinoen . I 1914 viste J. Chadwick eksperimentelt, at energierne af elektroner, der udsendes under beta-henfald, har et kontinuerligt snarere end et diskret spektrum. Dette var i åbenlys modstrid med loven om energibevarelse, da det viste sig, at en del af energien gik tabt i beta-henfaldsprocesserne. Det andet problem var, at nitrogen-14- atomets spin var 1, hvilket modsagde Rutherfords forudsigelse om ½. I et berømt brev skrevet i 1930 foreslog Wolfgang Pauli , at atomer ud over elektroner og protoner indeholder en meget let neutral partikel, som han kaldte neutronen. Han foreslog, at denne "neutron" udsendes i beta-henfald og simpelthen ikke var blevet observeret før. I 1931 omdøbte Enrico Fermi Paulis "neutrino" til neutrinoen, og i 1934 udgav Fermi en meget vellykket beta-henfaldsmodel, der involverede neutrinoer [6] .

Se også

Noter

↑ Ifølge Soddy og Fajances regel om radioaktive forskydninger .
↑ For eksempel er deuterium , hvis kerne består af en proton og en neutron, beta-stabil; neutronen i den kan ikke spontant henfalde til en proton + elektron + antineutrino, da energien af enhver mulig sluttilstand er større end energien af et deuteriumatom i hvile.
↑ Arkiveret kopi . Hentet 20. februar 2016. Arkiveret fra originalen 16. oktober 2005. (ubestemt)
↑ Beta-forfald . Kernefysik på internettet . Moscow State University (17. november 2015). Hentet 19. april 2016. Arkiveret fra originalen 6. januar 2022. (ubestemt)
↑ Opkaldt efter Franz ND Kurie , en amerikansk fysiker, der hverken er i familie med eller navnebror af Pierre og Marie Curie (Curie) .
↑ G. T. Zatsepin, A. Yu. Smirnov. Neutrino // Physical Encyclopedia : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (bd. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .

Litteratur

Wu Ts. S. , Moshkovsky S. A. Beta-henfald. - M . : Atomizdat, 1970. - 397 s.
Malyarov VV Grundlæggende om teorien om atomkernen. - M. : Fizmatlit, 1959. - 471 s. - 18.000 eksemplarer.
Chellen G. Elementarpartiklers fysik. — M .: Nauka, 1966. — 556 s. - 8000 eksemplarer.
Solovyov V.G. Teori om atomkernen: kvasipartikler og fononer. - Energoatomizdat, 1989. - S. 103, 111, 112, 123, 138, 147, 208, 274, 288. - 304 s. — ISBN 5-283-03914-5 .
Erozolimsky B.G. Neutron beta-henfald. UFN . 1975. Bind 116. S. 145–164

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Stor russer Britannica (online) Britannica (online) Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4144976-9 J9U : 987007284767905171 LCCN : sh85013444 NDL : 00560631