Beta partikel

Beta-partikler ( engelsk  beta-partikler , tysk  Betateilchen , β-partikler ) er elektroner og positroner , der flyver ud af atomkernerne i nogle radioaktive stoffer under radioaktivt beta-henfald . Beta-partiklernes bevægelsesretning ændres af magnetiske og elektriske felter , hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​en elektrisk ladning i dem. Elektronhastigheder når 0,998 lysets hastighed . Beta-partikler ioniserer gasser , forårsager luminescens af mange stoffer, der virker på fotografiske film. Strømmen af ​​beta-partikler kaldes beta-stråling.

Beta-partikler er ladede partikler og interagerer derfor intensivt med stof over hele deres vej. De efterlader et spor af ioniserede atomer og molekyler . Når det detekteres i skykamre og boblekamre i et magnetfelt , vrider sporet sig, hvilket gør det muligt at identificere beta-partikler ved deres ladning-til- masse-forhold .

Mere end 1500 kerner er kendt for at udsende beta-partikler under henfald [1] .

Historie

Efter Henri Becquerels opdagelse i 1896 af radioaktiv stråling begyndte dens aktive forskning. I 1899 udgav Ernest Rutherford et papir, hvori han viste, at der udsendtes flere typer partikler: tunge, positivt ladede partikler med lav gennemtrængende kraft, kaldet alfastråling , og lette, negativt ladede partikler med hundrede gange større rækkevidde i stof, som han kaldte betastråling. I 1900 viste Becquerel, ved at måle forholdet mellem ladningen af ​​beta-partikler og deres masse, at disse partikler er elektroner.

I 1930, mens han udviklede teorien om beta-henfald , foreslog Enrico Fermi , at beta-partikler ikke er indeholdt i kernen, men produceres ved henfald af en neutron. Fermis teori blev senere grundlaget for konstruktionen af ​​moderne teorier om svag interaktion .

Typer af beta-partikler

Der er to typer beta-henfald, og følgelig to typer beta-partikler, der dannes:

• β - partikel- elektron . Det dannes under henfaldet af en neutron ifølge skemaet , Hvor n er en neutron, p +  er en proton , e -  er en elektron,  er en antineutrino. Ifølge denne ordning henfalder både frie neutroner og mange naturlige isotoper med et overskud af neutroner.
• β + partikel- positron . Det dannes under henfaldet af en proton ifølge skemaet . Ifølge denne ordning henfalder tunge kerner.

Strålingskilder

Direkte dannes beta-partikler under henfaldet af et virtuelt ladet W - -boson til en elektron og en antineutrino. Et boson dannes til gengæld ved henfaldet af en d-kvark, som er i en neutron, til en u-kvark og en W - boson. Ved positronhenfald sker alle disse reaktioner med modsatte fortegn: u-kvarken i protonen henfalder med dannelsen af ​​en d-kvark og en W + -boson, som henfalder til en positron og en neutrino.

Under beta-henfald dannes der udover beta-partikler også ofte gamma-kvanter, så rene beta-emittere har en bredere praktisk anvendelse. Disse omfatter nuklider [2] :

• Hydrogen-3 ( tritium )
• Jern-55
• Nikkel-63
• Krypton-85
• Strontium-90
• Yttrium-90
• Ruthenium-106
• Rhodium-106
• Cerium-144
• Praseodymium-144
• Promethium-147
• Thallium-204
• Plutonium-238

og andre.

Strukturelt er beta-partikelkilder en kapsel, der indeholder en radioaktiv isotop og et hul, hvorigennem partikler udsendes.

Spektrum

I modsætning til alfapartikler , hvis spektrum har udtalte toppe, er spektret af beta-partikler kontinuerligt. Dette skyldes det faktum , at energien under henfaldet af W-bosonen fordeles vilkårligt mellem de to produkter af dette henfald, og enhver kombination af neutrino- og elektronenergi er mulig. Den maksimale energi af en beta-partikel afhænger af henfaldstypen og er lig med [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 for β - og [M (A, Z) ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 for β + , hvor M (A, Z) er massen af ​​nuklidkernen med løbenummer Z og antallet af nukleoner i kernen A [3] .

Den maksimale beta-partikelenergi varierer fra 18,6 kiloelektronvolt ( tritium henfald ) til 20 MeV (lithium-11 henfald)

Energiområdet for beta-partikler er også forskudt på grund af virkningen af ​​Coulomb-kræfter, der bremser elektroner og accelererer positroner.

Det specifikke energispektrum for beta-partikler er beskrevet ved følgende ligning [4] :

hvor γ er energien i enheder af mc 2, dvs. E/mc 2 , N (γ) dγ er fraktionen af ​​kerner, der udsender beta-partikler med energi γ pr. tidsenhed, f (Z, γ) er en funktion, der udtrykker virkningen af Coulomb styrker partikel, | m | 2  - kvadratet af matrixelementet bestemmer henfaldssandsynligheden, γ 0  er den begrænsende henfaldsenergi, og G er en konstant.

I nogle tilfælde opstår beta-henfald med excitation af kernens tilstand, hvis energi derefter overføres til elektroner fra atomets elektronskal. Dette fænomen kaldes intern konvertering . I dette tilfælde har spektret af beta-partikler flere udtalte toppe [5] .

Spektret af beta-partikler undersøges ved hjælp af et beta-spektrometer .

Interaktion med stof

Gennemsnitlig løbetængde

Beta-partikler interagerer med elektroner og kerner i stoffet, indtil de stopper. Udvalget af beta-partikler afhænger af deres energi. Det effektive område (tykkelsen af ​​stoflaget, som stopper næsten alle partikler) er vist i tabellen [6] :

I de fleste tilfælde er en 1-2 cm tyk plexiglasskærm [7] eller en 3-5 mm tyk metalplade tilstrækkelig til at beskytte mod beta-partikler.

Interaktion med elektronskaller

Ved kollisioner med atomer kan en beta-partikel ionisere et atom eller overføre det til en exciteret tilstand. Begge hændelser har omtrent lige store sandsynligheder, og den energi, der tabes på denne måde, kaldes ioniseringstab.

Det gennemsnitlige energitab af en elektron, når den passerer gennem et lag af simpelt stof, kan udtrykkes ved følgende formel, opdaget af Landau [5] :

hvor Δx er tykkelsen af ​​stoflaget, ρ er densiteten af ​​stoffet, β er elektronhastigheden i enheder af c, Z og A er ladningen og massen af ​​grundstoffet.

Denne formel bør dog anvendes med forsigtighed på rigtige beta-partikler, fordi den beskriver en monokrom elektronstråle, og i deres naturlige stråle findes der altid elektroner med forskellige energier, som vil bremse med forskellige hastigheder.

Interaktion med atomkerner

Når de interagerer med en kerne , kan elektroner blive spredt én eller mange gange i kernens Coulomb-felt. Et træk ved beta-partikler er, at deres momentum på grund af deres lille masse kan ændre sig meget under spredning, hvilket fører til bremsstrahlung . For højenergielektroner er sådan stråling en mere signifikant energitabskanal [6] . De udsendte gammakvanter kan til gengæld også slå elektroner ud, hvilket fører til dannelsen af ​​kaskader af elektroner i stoffet. Energien af ​​beta-partikler, hvor strålingstabet udlignes med ioniseringstab, kaldes den kritiske energi. Afhængig af stoffet kan den kritiske energi variere fra 83 MeV (luft) til 7 MeV (bly) - da energien af ​​partikler produceret ved beta-henfald sjældent overstiger 5 MeV, er denne kanal ikke den vigtigste.

På grund af spredning på kerner ændrer beta-partikler stærkt retningen af ​​deres bevægelse: den gennemsnitlige afbøjningsvinkel for en beta-partikel er proportional med kvadratroden af ​​tykkelsen af ​​det passerede lag af stof, og med et tilstrækkeligt tykt lag er det ikke længere muligt at tale om elektronernes bevægelsesretning, og deres bevægelse er mere som diffusion [5] .

Cherenkov-stråling

Da beta-partiklernes hastigheder som regel er tæt på lysets hastighed, når de kommer ind i et gennemsigtigt medium, bevæger de sig hurtigere end lyset i dette medium, hvilket fører til udseendet af Cherenkov-stråling. Sådan stråling er for eksempel karakteristisk for atomreaktorer, der bruger vand som neutronmoderator.

Backscatter

Når beta-partikler rammer overfladen af ​​noget materiale, reflekteres nogle af dem i store vinkler (> 90 °). Dette fænomen kaldes backscattering . Den del af partiklerne, der reflekteres i store vinkler efter at være faldet ned på overfladen af ​​et stof, kaldes tilbagespredningskoefficienten. Denne koefficient afhænger kvalitativt af stoffets atomnummer, energien af ​​de indfaldende partikler og tykkelsen af ​​stoflaget som følger [5] :

1. Øger i forhold til ladningen af ​​kernen til styrken 2/3
2. Den øges i forhold til tykkelsen af ​​stoflaget, indtil den bliver lig med cirka 1/5 af den effektive vejlængde af beta-partikler i dette stof, hvorefter yderligere vækst ophører med at påvirke koefficienten. Denne tykkelse kaldes mætningstykkelse.
3. Den stiger med stigningen i den maksimale energi af beta-partikler op til 0,6 MeV, hvorefter den forbliver praktisk talt uændret.

Påvisning af beta-partikler

Den vigtigste måde at detektere beta-partikler på er at måle den ionisering, de skaber [5] . Til detektion af partikler med relativt lav energi er gasfyldte tællere (såsom Geiger-Muller-tælleren ) eller faststoftællere mest almindelige. For at detektere elektroner med højere energier bruges tællere, der registrerer Cherenkov-strålingen skabt af hurtige partikler.

Brug

Betaterapi

Beta-partikler bruges i medicin - bestråling med elektroner produceret under beta-henfald. Betaterapi er en type strålebehandling og bruges til at behandle tumorer og andre patologiske ændringer i væv. Der er flere former for beta-terapi: Strålende applikatorer kan påføres de berørte områder af kroppen, eller opløsninger indeholdende stråleisotoper kan administreres intrakavitært [8] .

Måling af tykkelsen af ​​tynde lag

Ved hjælp af fænomenet tilbagespredning er det muligt meget præcist at bestemme tykkelsen af ​​tynde lag af stof, såsom papir - op til en vis værdi stiger antallet af reflekterede elektroner i forhold til tykkelsen af ​​stoflaget. Sådanne målinger kan også udføres ved at måle andelen af ​​beta-partikler absorberet af stoffet [9] . Ved hjælp af tilbagespredning er det også muligt at måle belægningens tykkelse uden at beskadige den [5] .

Baggrundsbelysning

Da beta-partikler forårsager en glød, når de rammer en overflade belagt med en fosfor , bruges de til at skabe meget holdbare lyskilder: For at gøre dette påføres en lille mængde af en emitterende isotop (f.eks. tritium ) på overfladen, der vil tjene som en lyskilde og desuden belagt med en fosfor. Beta-partikler udsendt af isotopen får overfladen til at gløde i årtier. Således er viserne på ure og andre enheder ofte fremhævet [10] .

Effekter på kroppen

Beta-partikler holdes godt tilbage af tøj, så de er først og fremmest farlige, hvis de kommer på huden eller inde i kroppen. Så efter Tjernobyl-katastrofen fik folk beta-forbrændinger på fødderne, fordi de gik barfodet [7] .

Hovedfaktoren i betastrålingens indflydelse på kroppen er den ionisering, den skaber. Det kan føre til stofskifteforstyrrelser i cellen og videre til dens død. Særligt farligt er frigivelsen af ​​beta-partikelenergi ved siden af ​​DNA -molekylet , hvilket fører til potentielt onkologisk farlige mutationer [11] . I tilfælde af høje strålingsdoser kan den samtidige død af et stort antal celler i væv forårsage deres patologiske ændringer ( strålesyge ). De mest sårbare over for stråling er slimhinder , hæmatopoietiske organer . Nervecellers død er farlig på grund af deres lave restitutionshastighed.

Den relative biologiske effektivitet af beta-stråling er lig med én (til sammenligning er dette tal for alfapartikler 20), fordi energien fra en beta-partikel er relativt lille [12] .

Også gamma-kvanter af bremsstrahlung skabt af beta-partikler, når de bevæger sig i stof, har en meget større gennemtrængende kraft og kan derfor medføre yderligere fare [13] .

Delta- og epsilon-stråling

Der er andre typer stråling, hvis partikler er elektroner.

Elektroner slået ud af partikler fra atomer under ionisering danner den såkaldte delta-stråling [14] . Delta-partikler (eller delta-elektroner) er elektroner som beta-partikler, men deres energi overstiger sjældent 1 keV, og spektret adskiller sig fra beta-partiklers. Delta-elektroner kan til gengæld også slå andre elektroner ud, hvilket forårsager tertiær ionisering . Elektroner slået ud af delta-partikler kaldes epsilon-partikler.

Noter

1. ↑ Beta - Decay Arkiveret 13. december 2016 på Wayback Machine  (russisk)
2. ↑ KILDER TIL IONISERENDE STRÅLING Arkiveret 25. november 2016 på Wayback Machine  (russisk)
3. ↑ Beta Decay Arkiveret 6. januar 2022 på Wayback Machine  (russisk)
4. ↑ Radioaktivt henfald arkiveret 1. maj 2021 på Wayback Machine  (russisk)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Interaktion mellem beta-partikler og stof Arkivkopi dateret 5. januar 2017 på Wayback Machine  (russisk)
6. ↑ 1 2 Interaktion mellem partikler og stof Arkiveret 20. november 2016 på Wayback Machine 
7. ↑ 1 2 Betastråling Arkiveret 28. juli 2020 på Wayback Machine  (russisk)
8. ↑ Betaterapi . Hentet 1. maj 2021. Arkiveret fra originalen 6. januar 2017. (ubestemt)
9. ↑ Beta Radiation in Thickness Control Arkiveret 6. januar 2017 på Wayback Machine 
10. ↑ Tritium: Radioactively Illuminated Clock Arkiveret 17. november 2016 på Wayback Machine  (russisk)
11. ↑ b-RADIATION, DENS PÅVIRKNING PÅ MENNESKERS SUNDHED Arkiveksemplar af 28. november 2016 på Wayback Machine  (russisk)
12. ↑ ANVENDELSE AF ISOTOPER I KEMI OG KEMISK INDUSTRI  (rus.)
13. ↑ Gaseous Tritium Light Sources (GTLS'er) og Gaseous Tritium Light Devices (GTLD'er) Arkiveret 8. oktober 2015 på Wayback Machine 
14. ↑ Delta ray Arkiveret 10. august 2020 på Wayback Machine 

Litteratur

• Ukrainian Soviet Encyclopedia : i 12 bind = Ukrainian Radian Encyclopedia  (ukrainsk) / Ed. M. Bazhan . - 2. visning. - K . : Mål. udgave af URE, 1974-1985.
• Lille bjergencyklopædi . I 3 bind = Lille håndleksikon / (På ukrainsk). Ed. V.S. Beletsky . - Donetsk: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk norsk Fantastisk norsk Stor russer Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449