Beta raspad

U nuklearnoj fizici, beta raspad (β-raspad) je tip radioaktivnog raspada u kome beta čestica (brzi energetski elektron ili pozitron) emituje se iz atomskog jezgra, transformišući izvorni nuklid u izobaru tog nuklida. Na primer, beta raspad neutrona transformiše ga u proton emisijom elektrona praćenog antineutrinom; ili, obratno, proton se pretvara u neutron emisijom pozitrona sa neutrinom u takozvanoj emisiji pozitrona. Niti beta čestica, niti pridruženi (anti) neutrino ne postoje u jezgru pre beta raspada, već nastaju u procesu raspadanja. Ovim postupkom nestabilni atomi dobijaju stabilniji odnos protona prema neutronima. Verovatnoća raspada nuklida usled beta i drugih oblika raspadanja određena je njegovom nuklearnom veznom energijom. Energije vezivanja svih postojećih nuklida čine ono što se naziva nuklearni pojas ili dolina stabilnosti.^[1] Da bi emisija elektrona ili pozitrona bila energetski moguća, oslobađanje energije ili vrednost Q moraju biti pozitivne.

Beta rast je posledica slabe sile, te je karakterisan relativno dugim vremenima raspada. Nukleoni se sastoje od gornjih i donjih kvarkova, a slaba sila omogućava kvarku da promeni svoj ukus emisijom W bozona što dovodi do stvaranja para elektron/antineutrino ili pozitron/neutrino.^[2] Na primer, neutron, sastavljen od dva donja kvarka i gornjeg kvarka, raspada se do protona koji se sastoji od donjeg kvarka i dva gornja kvarka.

Elektronski zahvat se ponekad uključuje kao tip beta raspada, jer je osnovni nuklearni proces, posredovan slabom silom, isti. Pri hvatanju elektrona, proton u jezgru hvata unutrašnji atomski elektron, transformišući se pri tom u neutron, i oslobađa se elektronski neutrino.^[3]

Opis

Dve vrste beta raspada poznate su kao beta minus i beta plus. U beta minus (β⁻) raspadu, neutron se pretvara u proton, a proces stvara elektron i elektronski antineutrino; dok se u beta plus (β⁺) raspadu proton pretvara u neutron i proces stvara pozitron i elektronski neutrino. β⁺ raspad poznat je i kao emisija pozitrona.^[4]

Beta raspad očuvava kvantni broj poznat kao leptonski broj ili broj elektrona i njima pridruženih neutrina (drugi leptoni su muon i tau čestice). Te čestice imaju leptonski broj +1, dok njihove antičestice imaju leptonski broj -1. Budući da proton ili neutron imaju leptonski broj nula, β⁺ raspad (pozitron ili antielektron) mora biti praćen elektronskim neutrinom, dok β⁻ raspad (elektron) mora biti praćen elektronskim antineutrinom.

Primer emisije elektrona (β⁻ raspada) je raspadanje ugljenika-14 u azot-14 sa vremenom poluraspada oko 5.730 godina:

146C → 147N + e− + ν

U ovom obliku propadanja, izvorni element postaje novi hemijski element u procesu poznatom kao nuklearna transmutacija. Ovaj novi element ima nepromenjeni maseni broj $A$ , ali atomski broj $Z$ koji se povećava za jedan. Kao i kod svih nuklearnih raspada, raspadajući element (u ovom slučaju 146C) poznat je kao roditeljski nuklid dok je rezultujući element (u ovom slučaju 147N) poznat je kao nuklid ćerka.

Sledeći primer je raspadanje vodonika-3 (tricijuma) u helijum-3 sa poluvremenom od oko 12,3 godine:

31H → 32He + e− + ν

Primer emisije pozitrona (β⁺ raspad) je raspadanje magnezijuma-23 u natrijum-23 sa poluživotom oko 11,3 s:

2312Mg → 2311Na + e+ + ν

β⁺ raspad takođe rezultira u nuklearnoj transmutaciji, pri čemu rezultirajući element ima atomski broj koji je umanjen za jedan.

Beta plus raspad (β⁺)

Vezani proton u jezgru početnog atoma raspadne na neutron, pozitron i neutrino.

p^{+}\rightarrow n^{0}+\;{}{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{e}

Isti zapis sa atomima je ovakav :

{}_{Z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;{}_{Z-1}^{A}{\hbox{Y}}\;+\;{}{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{e},

Primer

\mathrm {~_{11}^{22}Na} \rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +\;{}{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{e}

Beta plus rapad se koristi u medicini kod tomografije, gde služe pri postupku otkrivanja ćelija raka.

Beta minus raspad (β^-)

Spektar beta minus zračenja je kontinualan jer energiju raspada dele elektron i antineutrino, ali ne uvek na isti način.

Kod beta minus raspada, vezani neutron u jezgru početnog atoma transformiše se u proton, elektron i antineutrino. Proton ostaje u jezgru, a elektron i antineutrino napuštaju jezgro. Šematski prikazano:

n^{0}\rightarrow p^{+}+\;{}{\hbox{e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

što je u atomskom zapisu isto kao:

{}_{Z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;{}_{Z+1}^{A}{\hbox{Y}}\;+\;{}{\hbox{e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{e},

Primer beta minus raspada može biti raspad izotopa atoma tricijuma, gde nastaje jezgro-potomak izotop helijuma.

\mathrm {} _{1}^{3}H\rightarrow \mathrm {^{3}_{2}He^{+}} +\;{\hbox{e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

Sve reakcije slede zakon o održanju naelektrisanja. Znači, pre i posle raspada količina naelektrisanja ostaje ista. Ipak, redni broj izotopa raste za 1, što znači da se pomera za jedno mesto napred u Periodnom sistemu elemenata.

Za razliku od alfa raspada, spektar beta-minus raspada je kontinualan, jer energija nije precizno definisana već je u nejednakim odnosima uzimaju antineutrino i elektron. Jezgra X i Y zbog velike mase imaju malu kinetičku energiju.

Istorija

Već 1900. bilo je poznato da jedan deo radioaktivnog zračenja može da skreće u magnetskom polju. Ernest Raderford je na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listiće aluminijuma utvrdio da kod zračenja uranijumovih jedinjenja postoje dve vrste zraka. Onu vrstu zraka koji ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. Iste godine francuski naučnik Pol Vilard je otkrio i treću vrstu radioaktivnog zračenja, za koju se utvrdilo da ima veliku prodornu moć i da ne skreće u magnetskom polju, a nazvane su gama-česticama. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivni električni naboj, a beta-čestice negativan električni naboj.^[5]

Godine 1908. su Raderford i Hans Gajger merenjem utvrdili da alfa-čestice imaju dvostruki električni naboj, a da im je masa jednaka četverostrukoj masi atoma vodonika. Kada alfa-čestica privuče dva elektrona, ona prelazi u atom helijuma. Iz toga je Raderford zaključio da su alfa-čestice zapravo joni helijuma ili samo atomska jezgra helijuma. Za beta-čestice se utvrdilo da se u magnetnom i električnom polju ponašaju isto kao i katodni zraci ili elektroni. To znači da su beta-čestice u stvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre.

Beta (minus) i beta (plus) raspad

Za razliku od alfa raspada, kod beta raspada, pri kojem atomsko jezgro zrači elektron ili pozitron, ne dolazi do promene atomske mase, već se samo atomski broj poveća ili smanji za jedan ili atomsko jezgro se pretvori (transmutira) u novi hemijski element, koji je sledeći ili prethodni redni broj u periodnom sistemu elemenata.^[6]

Osim toga, eksperimenti su pokazali da elektroni koji nastaju prilikom beta raspada imaju različite brzine, od nule do određene maksimalne vrednosti, a to znači da imaju neprekinutu ili kontinuiranu raspodelu energije. Sličan neprekinuti spektar pokazuje i pozitron, koji nastaje kod beta (plus) raspada. Kada se govori o beta-česticama, onda se misli na beta (minus) - čestice i beta (plus) – čestice. Godine 1934. Frederik i Irena Žolio-Kiri su bombardovali atomska jezgra aluminijuma s alfa-česticama: 4He + 27Al → 30P + n, te su primetili da fosfor-30 zrači pozitrone, čestice koje je primetio i Karl Dejvid Anderson 1932, posmatrajući kosmičke zrake. Tada je prvi put pozitron dobijen u labaratoriji.

Budući da, prema kvantnoj teoriji, atomsko jezgro ima određene nivoe energije ili kvante energije, onda bi i beta-čestice trebale da imaju određeni nivo ili kvant energije, a ne neprekinuti spektar energija. Iz toga se može zaključiti da energija beta-čestica ne nastaje zbog prelaza iz jednog energetskog nivoa u drugi. Prema tome, beta raspad ne udovoljava zakonu o očuvanju energije, a eksperimenti su pokazali da i ne zadovoljava zakon o očuvanju momenta količine kretanja. Eksperimenti su doveli u sumnju osnovne zakone gradnje atomskog jezgra.

Neutrino

Volfgang Pauli je došao do zaključka da bi trebalo pretpostaviti postojanje jedne nove neutralne čestice, koja bi zajedno zračila s elektronom pri beta (minus) raspadu, čija je masa manja od mase elektrona u stanju mirovanja. Ovu česticu je Volfgang Pauli nazvao neutrino, što na italijanskom jeziku znači nešto što je malo i neutralno. Prema ovoj pretpostavci izlazi da je nastala energija pri beta raspadu raspodeljena na elektron i neutrino, tako da bi bio zadovoljen zakonu o očuvanju energije. Pretpostavka je bila i da neutrino odnosi i spin od 1/2, tako da i ukupna vrednost momenta količine kretanja bi bila jednaka 0 ili, čime bi bio zadovoljen i zakon o očuvanju momenta količine kretanja.^[7]^[7]^[8]

Na osnovu pretpostavki Volfganga Paulija, Enriko Fermi je razradio teoriju beta raspada. Po njoj atomsko jezgro ne sadrži slobodne elektrone i pozitrone, već samo protone i neutrone (nukleoni). Elektroni i pozitroni koje emituje atomsko jezgro, nastaju jedino kod beta raspada, usled pretvorbe neutrona u protone i protona u neutrone, slično kao što u atomu nema fotona, nego oni nastaju samo prilikom prelaska atoma iz jednog energetskog stanja u drugo. Mogućnost nastanka beta-čestica je uslovljeno stabilnošću atomskog jezgra. Energija koja nastaje prilikom beta raspada rasporeduje se na beta-čestice i elektrone, odnosno pozitrone. Po toj teoriji postoje dve vrste neutrina: neutrino i antineutrino.

Neutrino je otkriven tek 1956, a otkrio ga je američki fizičar Klajd Kovan, prilikom proučavanja nuklearnih reakcija u nuklearnom reaktoru. Japanski fizičar Hideki Jukava sa saradnicima je predvideo 1936, da atomi bogati protonima u atomskom jezgru, mogu da uhvate elektron iz prve K-ljuske elektronskog omotača, čime bi se proton promenio u neutron, uz istovremeno zračenje neutrina, što se naziva elektronski zahvat.^[9]

Fiziološki efekt Beta čestica

Beta čestice imaju sličan rang energije kao alfa čestice, ali imaju manje naelektrisanje, zato imaju veću prodornost. Tako imaju i štetniji biološki efekt na čoveka. Za razliku od alfa čestica, koje zaustavlja već list papira, beta čestice zaustavlja tek metalna prepreka od nekoliko milimetara (mm).

Vidi još

Reference

^ Konya, J.; Nagy, N. M. (2012). Nuclear and Radio-chemistry. Elsevier. str. 74—75. ISBN 978-0-12-391487-3.
^ Bijker, R.; Santopinto, E. (2015). „Valence and sea quarks in the nucleon”. Journal of Physics: Conference Series. 578 (1): 012015. Bibcode:2015JPhCS.578a2015B. S2CID 118499855. arXiv:1412.5559  . doi:10.1088/1742-6596/578/1/012015.
^ Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. (1986). An introduction to nuclear physics. Cambridge University Press. str. 40. ISBN 978-0-521-31960-7.
^ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology. Springer. ISBN 978-0387016726.
^ L'Annunziata, Michael (2012). Handbook of Radioactivity Analysis (Third izd.). Elsevier Inc. str. 3. ISBN 9780123848741. Pristupljeno 4. 10. 2017. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
^ [1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (31. јул 2017) "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.
^ ^а ^б Jensen, C. (2000). Controversy and Consensus: Nuclear Beta Decay 1911-1934. Birkhäuser Verlag. ISBN 978-3-7643-5313-1.
^ Chadwick, J. (1914). „Intensitätsverteilung im magnetischen Spektren der β-Strahlen von Radium B + C”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на језику: немачки). 16: 383—391.
^ [2] Архивирано на сајту Wayback Machine (5. februar 2017) "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.

Literatura

Konya, J.; Nagy, N. M. (2012). Nuclear and Radio-chemistry. Elsevier. str. 74—75. ISBN 978-0-12-391487-3.
Sin-Itiro Tomonaga (1997). The Story of Spin. University of Chicago Press.
Tomonaga, S.-I. (1997). The Story of Spin. University of Chicago Press.
Tuli, J. K. (2011). Nuclear Wallet Cards (PDF) (8th izd.). Brookhaven National Laboratory.

Spoljašnje veze

The Live Chart of Nuclides - IAEA with filter on decay type
Definition of Beta Disintegration (Decay) at Science Dictionary
Beta decay simulation

[konya74-1] Konya, J.; Nagy, N. M. (2012). Nuclear and Radio-chemistry. Elsevier. str. 74—75. ISBN 978-0-12-391487-3.

[2] Bijker, R.; Santopinto, E. (2015). „Valence and sea quarks in the nucleon”. Journal of Physics: Conference Series. 578 (1): 012015. Bibcode:2015JPhCS.578a2015B. S2CID 118499855. arXiv:1412.5559  . doi:10.1088/1742-6596/578/1/012015.

[3] Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. (1986). An introduction to nuclear physics. Cambridge University Press. str. 40. ISBN 978-0-521-31960-7.

[4] Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology. Springer. ISBN 978-0387016726.

[Handbook-5] L'Annunziata, Michael (2012). Handbook of Radioactivity Analysis (Third izd.). Elsevier Inc. str. 3. ISBN 9780123848741. Pristupljeno 4. 10. 2017. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

[6] [1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (31. јул 2017) "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.

[Jensen-7] а ^б Jensen, C. (2000). Controversy and Consensus: Nuclear Beta Decay 1911-1934. Birkhäuser Verlag. ISBN 978-3-7643-5313-1.

[8] Chadwick, J. (1914). „Intensitätsverteilung im magnetischen Spektren der β-Strahlen von Radium B + C”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на језику: немачки). 16: 383—391.

[9] [2] Архивирано на сајту Wayback Machine (5. februar 2017) "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]