Бета-распад

Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.

Бета-распад бывает трех видов:

1. Один из нейтронов (n) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е-) и антинейтрино (ṽ_e) (см. Нейтрино, Антивещество). Это — β^- -распад.

A(Z,N) → A(Z+1,N-1) + е^- + ṽ_e

(n → р + е^- + ṽ_e),

где A(Z,N) — обозначение ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. Простейший вид из всех видов β^- -распада — распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.

2. Протон, входящий в состав ядра, распадается на нейтрон (N), позитрон (е+) и нейтрино (v_e). Это — β⁺ -распад.

A(Z,N) → A(Z-1,N+1) + e⁺ + v_e

(p → рn + е⁺ + v_e).

Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.

3. Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с зарядом на 1 меньше:

A(Z,N) + е^- → A(Z-1,N+1) + v_e

(р + е^- → n + v_e).

β-частица при этом не излучается.

Когда физики начали изучать β-распад, о существовании нейтрино (v_e или ṽ_e)> обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.

Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы,— сплошной энергетический спектр электронов, излучаемых при р-распаде. В этом процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождающейся энергии. Вся она идет на электрон, и поэтому все β-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию E₀. А на опыте наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии, вплоть до максимально возможной — E₀.

Физики предположили, что виноват источник: р-частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы β-частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделяющуюся за определенное время.

Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну β-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к E₀, но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.

Выход из положения нашел швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он высказал предположение, что при β-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Ее не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть энергии. Так родилось представление о нейтрино.

Теория β-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Э. Ферми. В ней ученый предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент распада нуклона в ядре. Он ввел в теорию константу G, которая играла для β-распада такую же роль, что и заряд е для электромагнитных процессов, и вычислил ее величину на основании экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму p-спектров и связать граничную энергию распада E₀ со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, m_v ~< m_e).

В течение следующих лет теорию стремились видоизменить, дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем физики убедились, что все эти дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединенного слабого и электромагнитного взаимодействия включает его как первое приближение (см. Четность, Нейтрино, Слабые взаимодействия) .

Приведем некоторые данные о бета-распаде ядер.

Граничная энергия β-частиц (E₀) — от нескольких КэВ до — 17 МэВ.

Время жизни ядер по отношению к β-распа-ду —от 1,3x10^-2 с до ~2x10¹³ лет.

Пробег β-частиц в легких веществах — несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.