Бета - частиц , также называемый бета - лучей или бета - излучения (символ β ), является высокой энергии, высокой скорости электрона или позитрона , испускаемое радиоактивным распадом в качестве атомного ядра в процессе бета - распада . Есть две формы бета-распада, β - распад и β + распад, которые производят электроны и позитроны соответственно. [2]
Бета-частицы с энергией 0,5 МэВ имеют радиус действия около одного метра в воздухе; расстояние зависит от энергии частицы.
Бета-частицы представляют собой тип ионизирующего излучения и в целях радиационной защиты считаются более ионизирующими, чем гамма-лучи , но менее ионизирующими, чем альфа-частицы . Чем выше ионизирующий эффект, тем больше повреждение живой ткани, но также ниже проникающая способность излучения.
Режимы бета-распада [ править ]
β - распад (электронная эмиссия) [ править ]
Нестабильное атомное ядро с избытком нейтронов могут претерпевать β - распад, где нейтрон превращается в протон , электрон, и электронное антинейтрино ( античастица из нейтрино ):
п
→
п
+
е-
+
ν
е
Этот процесс опосредуется слабым взаимодействием . Нейтрон превращается в протон через испускание виртуального W - бозон . На кварковой уровне, W - излучение оказывается авансовый кварк в кварк, превращая нейтрон (один кварк и два нижних кварков) в протон (два верхних кварков и один вниз кварк). Виртуальный W - бозон затем распадается на электрон и антинейтрино.
β- распад обычно происходит среди побочных продуктов деления, богатых нейтронами, которые образуются в ядерных реакторах . Свободные нейтроны также распадаются посредством этого процесса. Оба эти процесса вносят вклад в обильное количество бета-лучей и электронных антинейтрино, производимых топливными стержнями реакторов деления.
β + распад (позитронное излучение) [ править ]
Нестабильные атомные ядра с избытком протонов могут подвергаться β + -распаду, также называемому распадом позитрона, когда протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино :
п
→
п
+
е+
+
ν
е
Бета-плюс-распад может происходить только внутри ядер, когда абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше, чем у родительского ядра, т. Е. Дочернее ядро находится в состоянии с меньшей энергией.
Схемы бета-распада [ править ]
На прилагаемой схеме распада показан бета-распад цезия-137 . 137 Cs имеет характерный гамма-пик при 661 кэВ, но на самом деле он испускается дочерним радионуклидом 137m Ba. На диаграмме показаны тип и энергия испускаемого излучения, его относительное содержание и дочерние нуклиды после распада.
Фосфор-32 - это бета-излучатель, широко используемый в медицине, с коротким периодом полураспада 14,29 дней [3] и распадается на серу-32 в результате бета-распада, как показано в этом ядерном уравнении:
32
15п→ 32
16S1++ е- + νе
При распаде выделяется 1,709 МэВ энергии. [3] Кинетическая энергия электрона изменяется в среднем примерно на 0,5 МэВ, а остальная часть энергии переносится почти необнаруживаемым электронным антинейтрино . По сравнению с другими нуклидами, излучающими бета-излучение, электрон умеренно энергичен. Его блокирует около 1 м воздуха или 5 мм акрилового стекла .
Взаимодействие с другим вопросом [ править ]
Из трех распространенных типов излучения, испускаемого радиоактивными материалами, альфа , бета и гамма , бета имеет среднюю проникающую способность и среднюю ионизирующую способность. Хотя бета-частицы, испускаемые различными радиоактивными материалами, различаются по энергии, большинство бета-частиц может быть остановлено несколькими миллиметрами алюминия . Однако это не означает, что бета-изотопные изотопы могут быть полностью экранированы такими тонкими экранами: когда они замедляются в веществе, бета-электроны испускают вторичные гамма-лучи, которые более проникающие, чем бета сами по себе. Защита, состоящая из материалов с более низким атомным весом, генерирует гамма-излучение с более низкой энергией, что делает такие экраны несколько более эффективными на единицу массы, чем экраны из материалов с высоким Z, таких как свинец.
Бета-излучение, состоящее из заряженных частиц, ионизирует сильнее, чем гамма-излучение. Проходя через вещество, бета-частица тормозится электромагнитными взаимодействиями и может испускать тормозное рентгеновское излучение .
В воде бета-излучение от многих продуктов ядерного деления обычно превышает скорость света в этом материале (что составляет 75% от скорости света в вакууме) [4] и, таким образом, генерирует синее черенковское излучение, когда оно проходит через воду. Таким образом, интенсивное бета-излучение от топливных стержней реакторов плавательных бассейнов можно визуализировать через прозрачную воду, которая покрывает и экранирует реактор (см. Иллюстрацию справа).
Обнаружение и измерение [ править ]
Ионизирующее или возбуждающее воздействие бета-частиц на вещество - это фундаментальные процессы, с помощью которых радиометрические приборы обнаружения обнаруживают и измеряют бета-излучение. Ионизация газа используется в ионных камерах и счетчиках Гейгера-Мюллера , а возбуждение сцинтилляторов используется в сцинтилляционных счетчиках . В следующей таблице показаны величины излучения в единицах СИ и других единицах:
| Количество | Единица измерения | Символ | Вывод | Год | Эквивалентность СИ |
|---|---|---|---|---|---|
| Активность ( А ) | беккерель | Бк | с −1 | 1974 г. | Единица СИ |
| кюри | Ci | 3,7 × 10 10 с −1 | 1953 г. | 3,7 × 10 10 Бк | |
| Резерфорд | Rd | 10 6 с −1 | 1946 г. | 1000000 Бк | |
| Экспозиция ( X ) | кулон на килограмм | Кл / кг | C⋅kg −1 воздуха | 1974 г. | Единица СИ |
| рентген | р | esu / 0,001293 г воздуха | 1928 г. | 2,58 × 10-4 Кл / кг | |
| Поглощенная доза ( D ) | серый | Гр | Дж ⋅ кг −1 | 1974 г. | Единица СИ |
| эрг на грамм | эрг / г | эрг⋅g −1 | 1950 | 1.0 × 10 −4 Гр | |
| рад | рад | 100 эрг⋅г −1 | 1953 г. | 0,010 Гр | |
| Эквивалентная доза ( H ) | зиверт | Sv | Дж⋅кг −1 × Вт R | 1977 г. | Единица СИ |
| рентген-эквивалент человека | rem | 100 эрг⋅г −1 x Вт R | 1971 г. | 0,010 Зв | |
| Эффективная доза ( Е ) | зиверт | Sv | Дж⋅кг −1 × W R x W T | 1977 г. | Единица СИ |
| рентген-эквивалент человека | rem | 100 эрг⋅г −1 x W R x W T | 1971 г. | 0,010 Зв |
- Серый (Гр), является единицей СИ поглощенной дозы , что количество энергии излучения на хранении в облученном материале. Для бета-излучения это численно равно эквивалентной дозе, измеренной зивертом , что указывает на стохастический биологический эффект низких уровней излучения на ткани человека. Весовой коэффициент преобразования поглощенной дозы в эквивалентную дозу составляет 1 для бета-излучения, тогда как альфа-частицы имеют коэффициент 20, что отражает их большее ионизирующее воздействие на ткани.
- Радиан является устаревшей РКОЙ блоком для поглощенной дозы и бэры являются устаревшей РКА единица эквивалентной дозы, используемым главным образом в США.
Приложения [ править ]
Бета-частицы можно использовать для лечения таких заболеваний, как рак глаз и костей, а также в качестве индикаторов. Стронций-90 - это материал, наиболее часто используемый для получения бета-частиц.
Бета-частицы также используются для контроля качества, чтобы проверить толщину предмета, такого как бумага , проходящего через систему роликов. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через продукт. Если изделие сделать слишком толстым или тонким, соответственно будет поглощаться другое количество излучения. Компьютерная программа, контролирующая качество производимой бумаги, затем перемещает ролики, чтобы изменить толщину конечного продукта.
Осветительное устройство, называемое бета-светом, содержит тритий и люминофор . Когда тритий распадается , он испускает бета-частицы; они ударяют по люминофору, заставляя люминофор испускать фотоны , как электронно-лучевая трубка в телевизоре. Для освещения не требуется внешнего источника энергии, и оно будет продолжаться, пока существует тритий (а люминофоры сами по себе химически не изменяются); количество света производится упадет до половины своего первоначального значения в 12,32 лет, в период полураспада трития.
Бета-плюс (или позитронный ) распад радиоактивного изотопа- индикатора является источником позитронов, используемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ-сканирование).
История [ править ]
Анри Беккерель , экспериментируя с флуоресценцией , случайно обнаружил, что уран выставил фотографическую пластину, обернутая черной бумагой, с неизвестным излучением , которое не может быть выключено , как рентгеновские лучи .
Эрнест Резерфорд продолжил эти эксперименты и открыл два разных вида излучения:
- альфа-частицы, которые не появлялись на пластинах Беккереля, потому что они легко впитывались черной оберточной бумагой
- бета-частицы, которые в 100 раз более проницаемы, чем альфа-частицы.
Он опубликовал свои результаты в 1899 г. [5]
В 1900 году Беккерель измерил отношение массы к заряду ( m / e ) для бета-частиц методом Дж. Дж. Томсона, который использовался для изучения катодных лучей и идентификации электрона. Он обнаружил, что e / m для бета-частицы такое же, как для электрона Томсона, и поэтому предположил, что бета-частица на самом деле является электроном.
Здоровье [ править ]
Бета-частицы умеренно проникают в живую ткань и могут вызывать спонтанные мутации в ДНК .
Бета-источники можно использовать в лучевой терапии для уничтожения раковых клеток.
См. Также [ править ]
- Электронное облучение
- Физика элементарных частиц
- п (нейтронные) лучи
- δ (дельта) лучи
Ссылки [ править ]
- ^ «Основы радиации» . Сообщество по ядерному регулированию США. 2017-10-02.
- ^ Lawrence Berkeley National Laboratory (9 августа 2000). «Бета-распад» . Ядерная настенная диаграмма . Министерство энергетики США . Проверено 17 января +2016 .
- ^ a b http://www.site.uottawa.ca:4321/astronomy/index.html#phosphorus32. Архивировано 5 июля 2006 г. в Wayback Machine.
- ^ Макроскопическая скорость света в воде составляет 75% от скорости света в вакууме (называемой «с»). Бета-частица движется быстрее 0,75 c, но не быстрее c.
- ^ Э. Резерфорд (8 мая 2009 г.) [Статья, опубликованная Резерфордом в 1899 г.]. «Урановое излучение и создаваемая им электрическая проводимость» . Философский журнал . 47 (284): 109–163. DOI : 10.1080 / 14786449908621245 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Радиоактивность и альфа, бета, гамма и рентгеновские лучи
- Конспект лекций Университета Вирджинии лучей и частиц
- История радиации в Государственном университете Айдахо
- Betavoltic Battery: ученые изобрели аккумулятор для ноутбука с непрерывным 30- летним питанием на NextEnergyNews.com
- Радиоактивные ноутбуки? Возможно, нет ... в Wayback Machine (архивировано 5 октября 2007 г.)
- Базовая информация о ядерной науке в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли
