Превращение нейтрона в протон. Типичные реакции превращения нейтрона в протон происходят с участием бета-частиц

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад – это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

где X– символ исходного ядра;Y– символ ядра продукта распада; 4 2 He– альфа-частица,Q– освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:

Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида(закон Гейгера-Неттола). Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т 1/2 = 4,510 -4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т 1/2 = 4,510 9 лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад – самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электроновили позитронов и антинейтриноили нейтрино е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

.

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:

Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:

Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e + иe -). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E= 2m e c 2 = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K,Lи т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:

Например,

При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или меньшую энергию, в результате чего электрон может получить любую энергию от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при бета-распаде бета-частицы одного и того же радионуклида имеют различную энергию, от нуля до некоторого максимального значения, характерного для распада данного радионуклида.По энергии бета-излучения практически невозможно произвести идентификацию радионуклида.

Некоторые радионуклиды могут распадаться одновременно двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распадов. В таком случае превращения осуществляются в строго определенном соотношении. Так, например, естественный долгоживущий радиоизотоп калий-40 (Т 1/2 =1,4910 9 лет), содержание которого в природном калии составляет 0,0119 %, подвергается электрон­ному бета- распаду и К-захвату:

(88 % – электронный распад),

(12 % – К- захват).

Из описанных выше типов распадов, можно сделать вывод, что гамма-распада в “чистом виде” не существует. Гамма-излучение только лишь может сопутствовать различным типам распадов. При испускании гамма-излучения в ядре не изменяются ни массовое число, ни его заряд. Следовательно, природа радионуклида не изменяется, а меняется лишь содержащаяся в ядре энергия. Гамма-излучение испускается при переходе ядер с возбужденных уровней на более низкие уровни, в том числе и на основной. Например, при распаде цезия-137 образуется возбужденное ядро бария-137. Переход из возбужденного в стабильное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов:

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (обычно t10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада.По энергии гамма-излучения, как и по энергии альфа-излучения, можно произвести идентификацию радионуклида .

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выброса какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электрон-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название конверсионных электронов. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличии от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон–позитрон» с последующей их аннигиляцией. После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов более удаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Бета-распад.

Процессы бета-распада уже давно и хорошо(?) известны (10). Тем не менее, в данной работе эти процессы рассматриваются не только как пример практического применения приведенных в данной работе утверждений и положений. Рассмотрение этих процессов представляет значительный интерес, поскольку:
а) выясняются некоторые особенности их протекания;
б) появляется возможность с высокой степенью точностью рассчитать материальные балансы процессов бета-распада;
в) появляется возможность внести некоторую ясность в проблему нейтрино.

Часть 3.1. Распад нейтрона (бета-минус-распад).
3.1.1. Распад нейтрона (превращение нейтрона в протон) является одним из основных видов распада в Природе, который подводит черту под временем жизни всех химических элементов тяжелее водорода:
нейтрон = протон + электрон + электронное антинейтрино , см. рис. 20-1.

Рис. 20-1. Схема распада нейтрона.
Схема распада нейтрона сравнительно проста - в процессе распада происходит превращение одного из кварков d в кварк u с выделением электрона и сбросом излишков энергии-материи в виде антинейтрино. Однако при детальном рассмотрении этого процесса (с учетом безусловного соблюдения всех законов сохранения) раскрываются некоторые особенности его протекания, а именно:
а) процесс происходит только внутри кварка d ;
б) процесс происходит только после образования «внутри» кварка вспомогательной (промежуточной) электрон-позитронной пары. Образование вспомогательной электрон-позитронной пары обязательно, поскольку ее участие в процессе диктуется законами сохранения;
в) на образование вспомогательной электрон-позитронной пары используется только материя глюона-1 и только этого кварка d. (См. также пункт 3.3.2.)
3.1.2. Таким образом, процесс превращения нейтрона в протон (превращение комбинации udd в комбинацию uud ) можно ограничить рассмотрением процесса превращения кварка d в кварк u, который происходит в следующей последовательности, см. рис.20-2:

Рис. 20-2. Распад нейтрона. Схема превращения кварка(d) в кварк(u) .
а) ввиду нестабильности комбинации udd нейтрон переходит в возбужденное состояние (см. пункт 3.4) и «внутри» одного из кварков d образуется вспомогательная электрон-позитронная пара (используется материя глюона-1 в количестве: 0,51099 + 0,51099 = 1,02198 МэВ);
б) в первую очередь (например: спины антипараллельны) происходит частичная аннигиляция частицы-ядра кварка (-1/3) и образовавшегося позитрона. Выделяется энергия в количестве 0,17033 + 0,17033 = 0,34066 МэВ. Появляется частица +2/3.
в) «ненужный» электрон (масса 0,51099 МэВ) покидает зону реакции (кварк), а затем и пределы протона;
г) внутри частицы (d-u ) остались излишки материи глюона-1 в количестве 0,44168 МэВ и появилась энергия аннигиляции 0,34066 МэВ, итого: 0,44168 + 0,34066 = 0,78234 МэВ. Этот излишек энергии распределяется между электроном и антинейтрино и удаляется из зоны реакции, а затем и за пределы протона, (см. примечание).
д) после появления частицы-ядра +2/3 массой 0,34066 МэВ и уменьшения массы облака глюона-1 на 1,02198 + 0,44168 = 1,46366 МэВ, формируется кварк u и образуется комбинация uud . Процесс превращения нейтрона в протон закончен.
3.1.3. Итого по распаду нейтрона:
а) по данной схеме происходят все реакции бета-распада нейтронов - как одиночных, так и находящихся в составе ядер таблицы Менделеева;
б) наличие в нейтроне двух массивных кварков d приводит к существенному дисбалансу масс (и зарядов) в комбинации udd , что делает эту систему заведомо нестабильной и обреченной на самопроизвольный бета-распад;
в) все реакции взаимодействия, связанные с превращением нейтрона в протон происходят внутри одного из кварков d с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары. Образование электрон-позитронной пары обязательно, поскольку ее участие требуется по законам сохранения;
г) процесс энергоизбыточный. Излишки энергии распределяются между электроном и антинейтрино и выбрасываются за пределы протона;
д) поскольку процесс происходит только за счет материи глюона-1 кварка d , то масса глюона-2 в «исходном» нейтроне и «конечном» протоне остается неизменной - 931,56576 МэВ, см. также рис.18 и 19.
3.1.4. Примечание:
В процессе распада излишек энергии распределяется между электроном и антинейтрино. В данном случае (в тексте и на рис.20-2.) представлен вариант, в котором условно приведено «расчетное» распределение энергий между электроном (0,44168) и антинейтрино (0,34066).

Часть. 3.2. Распад протона.
Кроме распада нейтрона (бета-минус-распад) в составных ядрах могут происходить также процессы превращения протона в нейтрон: бета-плюс-распад и электронный захват:
протон + энергия = нейтрон + позитрон + нейтрино
протон + электрон + энергия = нейтрон + нейтрино.
Располагая данными о массе кварков можно подробнее рассмотреть схемы распада и составить материальные балансы этих процессов.
3.2.1. Бета-плюс-распад. Реакция превращения протона в нейтрон (бета-плюс-распад) происходят внутри одного из кварков (u ) с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары, см. рис. 21. Процесс энергозатратный. Требуется подвод энергии в размере 2,48564 МэВ, которая затрачивается:
- на образование вспомогательной электрон-позитронной пары - 1,02198 МэВ;
- на увеличение массы облака глюона кварка d - 1,46366 МэВ.
Выход материалов в процессе реакции - 1,19231 МэВ. Разница материи-энергии в размере 2,48564 - 1,19231 = 1,29333 МэВ идет на увеличение массы нейтрона.

Рис. 21. Схема превращения кварка u в кварк d (бета-плюс-распад).
Процесс происходит в следующей последовательности:
а) в протон (а затем в один из кварков u ) поступает энергия не менее 2,48564 МэВ;
б) за счет этой энергии (2,48564 МэВ) в кулоновском поле ядра-частицы +2/3 происходит образование вспомогательной электрон-позитронной пары и происходит «наращивание» массы глюона (у кварка u масса глюона 1,46366 МэВ, а у кварка d должна быть 2,92732 МэВ);
в) происходит частичная аннигиляция частицы-ядра кварка (+2/3) и образовавшегося электрона. Выделяется энергия в количестве 0,34066 + 0,34066 = 0,68132 МэВ и появляется частица -1/3;
в) внутри кварка образовалась энергия от частичной аннигиляции в размере 0,68132 МэВ. Этот излишек энергии распределяется между позитроном и нейтрино и удаляется с ними из зоны реакции, а затем и за пределы u-d ;
г) «ненужный» позитрон (масса 0,51099 МэВ) покидает зону реакции;
д) после появления частицы-ядра -1/3 массой 0,17 МэВ и увеличения массы облака глюона-1 на 1,46366 МэВ формируется кварк d и образуется комбинация udd . Процесс превращения протона в нейтрон закончен.
Итого по бета-плюс-распаду:
а) все реакции взаимодействия, связанные с превращением протона в нейтрон (бета-плюс-распад) происходят внутри одного из кварков u с образованием вспомогательной электрон-позитронной пары;
б) процесс энергозатратный, требуется подвод энергии в размере 2,48 МэВ. Однако в то же время из кварка происходит «встречный» выброс энергии 0,68 МэВ в виде нейтрино.
Примечание:
1. В процессе распада излишек энергии распределяется между электроном и нейтрино. В данном случае (в тексте и на рис.21) представлен вариант, в котором условно приведено «расчетное» распределение энергий между позитроном (0) и антинейтрино (0,68).

3.2.2. Электронный захват. Реакция при энергозатратном электронном захвате происходит без образования вспомогательной электрон-позитронной пары и по более простой (упрощенной) схеме - внутри кварка u сразу происходит частичная аннигиляция «готового» электрона и частицы-ядра (+2/3) с образованием новой частицы-ядра (-1/3).
При этом следует обратить внимание на то, что:
- протон не может «добровольно» захватить электрон - электрон должен «влететь» вовнутрь кварка u . Для этого он должен обладать кинетической энергией в размере не менее 1,46366 МэВ, которая затем полностью превращается в глюон-1 кварка d , см. рис.22.

Рис. 22. Схема электронного захвата.
Процесс электронного захвата происходит в следующей последовательности:
а) электрон покидает свою орбиту и, набирая скорость, начинает перемещаться к протону. Набрав скорость (и, главное, повысив свою кинетическую энергию до необходимых 1,46366 МэВ), он влетает вовнутрь протона, а затем и вовнутрь ближайшего кварка u ;
б) электрон «останавливается» и вся его кинетическая энергия (1,46366 МэВ) превращается в глюон-1;
в) происходит частичная аннигиляция «готового» электрона и частицы-ядра +2/3 с выделением энергии в размере 0,34066 + 0,34066 = 0,68132 МэВ (без учета энергии отдачи), которая в виде нейтрино удаляется из зоны реакции, а затем и за пределы нейтрона. Процесс превращения протона в нейтрон закончен.
Итого по электронному захвату:
- все реакции взаимодействия, связанные с превращением протона в нейтрон при электронном захвате происходят внутри одного из кварков u ;
- процесс энергозатратный - кроме подвода «готового» электрона требуется подвод энергии вовнутрь кварка в размере 1,46366 МэВ на образование глюона. Однако в то же время из кварка происходит «встречный» выброс энергии 0,68132 МэВ в виде нейтрино.
Примечание:
1. Возможен также вариант, когда электрон «приносит» с собой лишь некоторую часть необходимой энергии из 1,46 МэВ. Недостающая часть энергии поступает в протон дополнительно со стороны или в виде кванта, который выделяет? электрон при сходе с орбиты. Однако эти заведомо сложные и нелогичные процессы маловероятны и в данной работе не рассматриваются.

3.3. Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары при бета-распаде.
Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары при распаде нейтрона и протона приведены на рис.23.

Рис. 23. Возможные места образования вспомогательной электрон-позитронной пары: а) при распаде нейтрона, б) при бета-плюс-распаде протона.
3.3.1. Образование промежуточной электрон-позитронной пары возможно в следующих местах (вариантах):
Вариант 1. Внутри кварка в кулоновском поле частицы-ядра.
Вариант 2. На «границе» (или «поверхности») кварка.
Вариант 3. Внутри протона в объеме глюона-2.
Вариант 4. На «поверхности» протона (для бета-плюс-распада).
После рассмотрения данных вариантов принимается, что образование промежуточной (вспомогательной) электрон-позитронной пары может происходить либо на «границе» кварка (Вариант 1), либо внутри кварка (Вариант 2), поскольку здесь:
- кулоновское поле частицы-ядра достигает максимальных величин;
- имеется «строительный материал» (глюон-1) для их образования;
- обеспечивается незамедлительный контакт между частицей и ядром.
Остальные варианты лишены логики и поэтому как реально возможные даже не анализировались, поскольку в совокупности практически невозможно:
- достоверно объяснить механизм образования частиц;
- достоверно объяснить процесс их «доставки» (перемещения) к ядру кварка,
- составить материальный баланс процесса.
3.3.2. Таким образом, в данной работе принимается, что на образование вспомогательной электрон-позитронной пары используется только материя глюона-1, а образование вспомогательной электрон-позитронной пары может происходить только на границе кварка или внутри кварка, где кулоновское поле частицы-ядра достигает максимальных величин. Вариант-2 (на границе) выглядит наиболее предпочтительным, однако поскольку определение точного места образования пар не представляется возможным, то для обоих этих вариантов используется термин - «внутри кварка»,(и приводится в схемах).

3.4. Основные принципы появления возбужденного состояния нейтрона.
3.4.1. Все «стабильные» нейтроны образовались в недрах звезд в результате принудительного «ввода» (вбивания, заталкивания и пр.) энергии в протон (бета-плюс-распад и электронный захват). Из этого следует, что «стабильный» нейтрон (а также и одиночный) изначально является энергоизбыточной частицей (системой). Эта энергоизбыточность вынуждает (обязывает) систему сбросить излишки энергии и снова вернуться в устойчивое состояние - протон. Сброс излишков энергии происходит в течение 886сек в результате процесса самопроизвольного распада, однако причиной его «самопроизвольности» является переход нейтрона в возбужденное состояние, см. рис.24.

Рис. 24. Возбужденное состояние нейтрона.
3.4.2. Возбужденное состояние нейтрона появляется из-за дисбаланса масс в подвижной комбинации udd , которая содержит два массивных кварка d и возникает в результате смещения одного кварка d из центральной части нейтрона к периферии.
а) нейтрон в «обычном» состоянии. В «обычном» состоянии комбинация udd располагается в центральной части нейтрона, в которой кварки хаотично перемещаются в центральной части нейтрона вокруг условного «центра тяжести» (хаотично - система из трех тел не считается).(11)
б) нейтрон в возбужденном состоянии. Во время одного из таких перемещений, один из кварков (например, d-2 ) смещается (отбрасывается) из центральной зоны к периферии (в меньше а). Сила притяжения (к кварку u ), которая удерживала кварк d «внутри» комбинации udd , ослабевает
(г больше б) и энергоизбыточная (и, следовательно, неустойчивая) комбинация udd получает возможность сбросить излишек энергии. Сброс излишков энергии происходит за счет материи (глюона-1) кварка d-2 и сопровождается его перестройкой в кварк u .

Бета-распад

β-распад, радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е -) - происходит так называемый β - -распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е +) - происходит β + -распад. Вылетающие при Б.-р. электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы - нейтрино (ν ) в случае β+-распада или антинейтрино А, равное общему числу нуклонов в ядре, не меняется, и ядропродукт представляет собой изобар исходного ядра, стоящий от него по соседству справа в периодической системе элементов. Наоборот, при β + -распаде число протонов уменьшается на единицу, а число нейтронов увеличивается на единицу и образуется изобар, стоящий по соседству слева от исходного ядра. Символически оба процесса Б.-р. записываются в следующем виде:

где -Z нейтронов.

Простейшим примером (β - -распада является превращение свободного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино (период полураспада нейтрона ≈ 13 мин ):

Более сложный пример (β - -распада - распад тяжёлого изотопа водорода - трития, состоящего из двух нейтронов (n) и одного протона (p):

Очевидно,что этот процесс сводится к β - -распаду связанного (ядерного) нейтрона. В этом случае β-радиоактивное ядро трития превращается в ядро следующего в периодической таблице элемента - ядро лёгкого изотопа гелия 3 2 Не.

Примером β + -распада может служить распад изотопа углерода 11 С по следующей схеме:

Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить и в результате захвата протоном одного из электронов с электронной оболочки атома. Чаще всего происходит захват электрона

Б.-р. наблюдается как у естественно-радиоактивных, так и у искусственно-радиоактивных изотопов. Для того чтобы ядро было неустойчиво по отношению к одному из типов β-превращения (т. е. могло испытать Б.-р.), сумма масс частиц в левой части уравнения реакции должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при Б.-р. происходит выделение энергии. Энергию Б.-р. Е β можно вычислить по этой разности масс, пользуясь соотношением Е = mc2, где с - скорость света в вакууме. В случае β-распада

где М - массы нейтральных атомов. В случае β+-распада нейтральный атом теряет один из электронов в своей оболочке, энергия Б.-р. равна:

где me - масса электрона.

Энергия Б.-р. распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию от 0 до E β т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Итак, при β - -распаде масса исходного атома превышает массу конечного атома, а при β + -распаде это превышение составляет не менее двух электронных масс.

Исследование Б.-р. ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление Б.-р. долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой (см. Ядро атомное). Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при Б.-р., даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения. Поскольку Спин ы (т. е. собственные моменты) нейтрона и протона равны 1 / 2 , то для сохранения спина в правой части уравнений Б.-р. может находиться лишь нечётное число частиц со спином 1 / 2 . В частности, при β - -распаде свободного нейтрона n → p + e - + ν только появление антинейтрино исключает нарушение закона сохранения момента количества движения.

Б.-р. имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Т. о., тенденция к β + -распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β - -распаду - для нейтроноизбыточных изотопов. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Энергия Б.-р. ныне известных изотопов лежит в пределах от

периоды полураспада заключены в широком интервале от 1,3 · 10 -2 сек (12 N) до Бета-распад 2 10 13 лет (природный радиоактивный изотоп 180 W).

В дальнейшем изучение Б.-р. неоднократно приводило физиков к крушению старых представлений. Было установлено, что Б.-р. управляют силы совершенно новой природы. Несмотря на длительный период, прошедший со времени открытия Б.-р., природа взаимодействия, обусловливающего Б.-р., исследована далеко не полностью. Это взаимодействие назвали «слабым», т.к. оно в 10 12 раз слабее ядерного и в 10 9 раз слабее электромагнитного (оно превосходит лишь гравитационное взаимодействие; см. Слабые взаимодействия). Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам (См. Элементарные частицы) (кроме фотона). Прошло почти полвека, прежде чем физики обнаружили, что в Б.-р. может нарушаться симметрия между «правым» и «левым». Это несохранение пространственной чётности было приписано свойствам слабых взаимодействий.

Изучение Б.-р. имело и ещё одну важную сторону. Время жизни ядра относительно Б.-р. и форма спектра β-частиц зависят от тех состояний, в которых находятся внутри ядра исходный нуклон и нуклон-продукт. Поэтому изучение Б.-р., помимо информации о природе и свойствах слабых взаимодействий, значительно пополнило представления о структуре атомных ядер.

Вероятность Б.-р. существенно зависит от того, насколько близки друг к другу состояния нуклонов в начальном и конечном ядрах. Если состояние нуклона не меняется (нуклон как бы остаётся на прежнем месте), то вероятность максимальна и соответствующий переход начального состояния в конечное называется разрешённым. Такие переходы характерны для Б.-р. лёгких ядер. Лёгкие ядра содержат почти одинаковое число нейтронов и протонов. У более тяжёлых ядер число нейтронов больше числа протонов. Состояния нуклонов разного сорта существенно отличны между собой. Это затрудняет Б.-р.; появляются переходы, при которых Б.-р. происходит с малой вероятностью. Переход затрудняется также из-за необходимости изменения спина ядра. Такие переходы называются запрещёнными. Характер перехода сказывается и на форме энергетического спектра β-частиц.

Экспериментальное исследование энергетического распределения электронов, испускаемых β-радиоактивными ядрами (бета-спектра), производится с помощью Бета-спектрометр ов. Примеры β-спектров приведены на рис. 1 и рис. 2 .

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 4, М., 1969, гл. 22-24; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 3, М., 1961.

Е. М. Лейкин.

Бета-спектр нейтрона. На оси абсцисс отложена кинетич. энергия электронов Е в кэв , на оси ординат - число электронов N (Е) в относительных единицах (вертикальными чёрточками обозначены пределы ошибок измерений электронов с данной энергиией).


Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Бета-распад" в других словарях:

    Бета распад, радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе к рьхх ядра испускают электроны и антинейтрино (бета распад) либо позитроны и нейтрино (бета+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее назв. бета частиц. При… … Большой энциклопедический политехнический словарь

    Современная энциклопедия

    Бета-распад - (b распад), вид радиоактивности, при котором распадающееся ядро испускает электроны или позитроны. При электронном бета распаде (b) нейтрон (внутриядерный или свободный) превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (смотри… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

    Бета-распад - (β распад) радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе которых ядра испускают электроны и антинейтрино (β распад) либо позитроны и нейтрино (β+ распад). Вылетающие при Б. р. электроны и позитроны носят общее название бета частиц (β частиц) … Российская энциклопедия по охране труда

    - (b распад). самопроизвольные (спонтанные) превращения нейтрона n в протон р и протона в нейтрон внутри ат. ядра (а также превращение в протон свободного нейтрона), сопровождающиеся испусканием эл на е или позитрона е+ и электронных антинейтрино… … Физическая энциклопедия

    Самопроизвольные превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон внутри атомного ядра, а также превращение свободного нейтрона в протон, сопровождающееся испусканием электрона или позитрона и нейтрино или антинейтрино. двойной бета распад… … Термины атомной энергетики

    - (см. бета) радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон, и нейтрино; при бета распаде электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое число не меняется. Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка

    бета-распад - бета лучи, бета распад, бета частицы. Первая часть произносится [бэта] … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

    Сущ., кол во синонимов: 1 распад (28) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

    Бета распад, бета распада … Орфографический словарь-справочник

    БЕТА-РАСПАД - (ß распад) радиоактивное превращение атомного ядра (слабое взаимодействие), при котором испускаются электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино; при Б. р. электрический заряд атомного ядра изменяется на единицу, массовое (см.) не меняется … Большая политехническая энциклопедия

Книги

  • Комплект таблиц. Физика. 9 класс (20 таблиц) , . Учебный альбом из 20 листов. Материальная точка. Координаты движущегося тела. Ускорение. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по…

Вот теперь мы, наконец, подошли к ответу на вопрос о происхождении таинственных бета-частиц. Источником их появления служит процесс обратный превращению протона в нейтрон, а именно: превращение нейтрона в протон. Из логических соображений такой процесс по аналогии сопряжен с испусканием электрона (той самой бета-частицы). Ведь утрата отрицательного заряда эквивалентна приобретению положительного. Но где в абсолютно незаряженном нейтроне можно отыскать отрицательный заряд и выпустить его на свободу?
На самом деле, если бы все ограничивалось только испусканием отрицательно заряженной частицы, это было бы просто невозможно. Многовековой опыт приучил физиков к мысли, что ни отрицательный, ни положительный заряд не могут возникнуть из ничего. Точно так же, как ни один из этих зарядов не может исчезнуть безо всякого следа. Таков закон сохранения электрического заряда.
В действительности нейтрон не просто выпускает на свободу бета-частицу; одновременно он образует и протон, который полностью уравновешивает отрицательный заряд последней и поддерживает суммарную нейтральность. Таким образом, в сумме никакого дополнительного заряда не образуется. Аналогично, когда электрон встречается с позитроном и аннигилирует, суммарное изменение заряда также равно нулю.
Когда протон излучает позитрон, превращаясь в нейтрон, исходная частица (протон) имеет единичный положительный заряд, а две итоговые частицы (нейтрон и позитрон) в сумме также имеют заряд +1.
Ядро способно также поглотить электрон, тогда протон внутри ядра превращается в нейтрон. Электрон с протоном (их суммарный заряд равен нулю) образуют не имеющий заряда нейтрон. Обычно ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки, поэтому такой процесс носит название К-захват. Тут же вакантное место занимает электрон с более удаленной L-оболочки, что сопровождается выделением энергии в виде рентгеновского излучения. Первым этот эффект описал в 1938 году американский физик Л. Альварес. Как правило, химические превращения, которые связаны с перемещением электронов, на ядерные реакции не влияют. Но поскольку в К-захвате участвуют не только ядра, но и электроны, этот процесс в некоторой степени связан с химическими изменениями.

Похожие публикации