Кіріспе

Радиоактивті ыдырау түрі

Ядролық физикада бета-ыдырау (β-ыдырау) – атом ядросы бета-бөлшекті (жоғары энергетикалық электронды немесе позитронды) шығарып, сол нуклидтің изобарына айналатын радиоактивті ыдырау түрі. Мысалы, бета-ыдырау нейтронды антинейтриномен бірге электронды сәуле шығару арқылы протонға айналдырады; немесе керісінше, протон позитронды нейтриномен бірге позитронды сәуле шығару арқылы нейтронға айналады. Бета-бөлшегі де, оған байланысты (анти)нейтрино да бета-ыдырау процесінен бұрын ядрода болмайды, бірақ ыдырау процесінде пайда болады. Осы процесс арқылы тұрақсыз атомдар протон мен нейтронның көбірек тұрақты қатынасын алады. Нуклидтің бета және басқа да ыдырау түрлеріне байланысты ыдырау ықтималдығы оның ядролық байланысу энергиясымен анықталады. Барлық нуклидтердің байланысу энергиясы ядролық белдеу немесе тұрақтылық аңғары деп аталады. Электронды немесе позитронды шығарудың энергетикалық тұрғыдан мүмкін болуы үшін энергияның босауы (төменде қараңыз) немесе Q мәні оң болуы керек. Бета-ыдырау – әлсіз күштің салдарынан туындайды, ол салыстырмалы түрде ұзақ ыдырау уақыттарымен сипатталады. Нуклеондар жоғары кварктардан және төмен кварктардан тұрады, ал әлсіз күш кваркқа W бозонының сәуле шығару арқылы өзінің дәмін өзгертуге мүмкіндік береді, бұл электрон/антинейтрино немесе позитрон/нейтрино жұбын құруға әкеледі. Мысалы, екі төменгі кварк пен бір жоғары кварктан тұратын нейтрон, төменгі кварк пен екі жоғары кварктан тұратын протонға ыдырайды. Электронды ұстап алу кейде бета-ыдыраудың бір түрі ретінде қарастырылады, өйткені негізгі ядролық процесс, әлсіз күш арқылы жүзеге асады, бірдей болады. Электронды ұстап алуда ішкі атом электроны ядродағы протон арқылы ұсталып, оны нейтронға айналдырады және электронды нейтрино шығарылады.

Ашылуы және бастапқы сипаттама

Радиоактивтілік 1896 жылы Анри Беккерельдің уранда, ал кейін Мари мен Пьер Кюридің торийде және жаңа элементтер полоний мен радийде байқауымен ашылды. 1899 жылы Эрнест Резерфорд радиоактивті сәуле шығаруды екі түрге бөлді: альфа және бета (қазір бета минус), бұл заттарға ену қабілетіне және иондану тудыруға негізделген. Альфа сәулелері қағаз немесе алюминийдің жұқа қабаттарымен тоқтатылды, ал бета сәулелері алюминийдің бірнеше миллиметрін өткізе алды. 1900 жылы Пол Виллард одан да терең енетін сәуле түрін анықтады, ал Резерфорд 1903 жылы оны түбегейлі жаңа тип ретінде анықтап, гамма сәулелері деп атады. Альфа, бета және гамма – грек әліпбиінің алғашқы үш әрпі. 1900 жылы Беккерель бета-бөлшектердің масса-заряд қатынасын (m/e) Дж. Дж. Томсонның катод сәулелерін зерттеу және электронды анықтау әдісімен өлшеді. Ол бета-бөлшектің m/e көрсеткіші Томсонның электроны үшін бірдей екенін анықтады, сондықтан бета-бөлшек шын мәнінде электрон екенін болжады. 1901 жылы Рутерфорд пен Фредерик Содди альфа және бета радиоактивтілігінің атомдардың басқа химиялық элементтердің атомдарына айналуын қамтитынын көрсетті. 1913 жылы радиоактивті ыдырау өнімдері көбірек белгілі болғаннан кейін, Содди мен Казимеж Фаянс өздерінің радиоактивті ығысу заңын ұсынды, онда бір элементтен бета (яғни, ) сәуле шығару периодикалық кестеде оңға қарай бір элементтің пайда болуына, ал альфа сәуле шығару солға қарай екі элементтің пайда болуына әкеледі.

Нейтринолар

Бета-бөлініс зерттеуі нейтриноның бар екеніне алғашқы физикалық дәлел берді. Альфа және гамма ыдырауында алынған альфа немесе гамма бөлшегінің тар энергия таралуы болады, себебі бөлшек бастапқы және соңғы ядролық күйлер арасындағы айырмашылықтан энергияны алады. Алайда, 1911 жылы Лиза Митнер мен Отто Хан, ал 1913 жылы Жан Даниз өлшеген бета-бөлшектердің кинетикалық энергиясының таралуы немесе спектрі, диффузды фонға қарсы бірнеше сызықтарды көрсетті. Бұл өлшеулер бета-бөлшектердің үздіксіз спектріне ие екеніне алғашқы меңзеу жасады. 1914 жылы Джеймс Чадвик Ханс Гейгердің жаңа санауыштардың бірімен бірге магниттік спектрометрді қолданып, спектрдің үздіксіз екенін көрсеткен дәлірек өлшеулер жасады. Бета-бөлшектердің энергиясының таралуы энергияның сақталу заңына қайшы келді. Егер бета-бөлініс сол кездегідей электронды эмиссия болса, онда шығарылған электронның энергиясы нақты, белгілі бір мәнге ие болуы керек еді. Алайда, бета-бөліну кезінде байқалған энергияның кең таралуы, бета-бөліну процесінде энергия жоғалатынын көрсетті. Бұл спектр көп жылдар бойы түсініксіз болды. Екінші мәселе бұрыштық импульстің сақталуымен байланысты. Молекулалық жолақты спектрлер азот-14 ядросының спині 1-ге (яғни, теңелген Планк тұрақтысына) тең екенін, ал жалпы алғанда, спиннің жұп массалық санға ие ядролар үшін бүтін, ал тақ массалық санға ие ядролар үшін жартылай бүтін екенін көрсетті. Бұл кейінірек ядроның протон-нейтрон моделімен түсіндірілді. Нейтриноның қасиеттері Паули мен Ферми болжағандай (бірнеше шағын түзетулермен) болды.

ыдырау және электронды тұтқындау

1934 жылы Фредерик және Ирен Жолио Кюри алюминийді альфа бөлшектерімен бомбалап, гелий-4 + алюминий-27 → фосфор-30 + нейтроний-1 ядролық реакциясын жүзеге асырды және фосфор-30 изотопының өнімі космостық сәулелерде табылган позитрондармен (Карл Дэвид Андерсон 1932 жылы ашқан) бірдей позитрон шығаратынын байқады. Бұл олар жасанды радиоактивтілік деп атаған ыдыраудың (позитрондық эмиссияның) алғашқы мысалы болды, себебі фосфор-30 – табиғатта кездеспейтін, қысқа ғұмырлы нуклид. Олардың осы жаңалығы үшін 1935 жылы оларға химия саласындағы Нобель сыйлығы табысталды. Электронды тұтқындау теориясы алғаш рет 1934 жылы Джан Карло Виктің мақаласында талқыланды, кейін Хидеки Юкава және басқалар оны дамытты. К-электронды тұтқындауды алғаш рет 1937 жылы Луис Альварес 48V нуклидінде байқады. Альварес 67Ga және басқа нуклидтердегі электронды тұтқындауды зерттеді.

Паритикті сақтамау

1956 жылы Цун Дао Ли мен Чен Нинг Янг әлсіз өзара әрекеттесулерде паритет сақталуына ешқандай дәлел жоқтығын байқады, сондықтан бұл симметрия әлсіз күштің өзі сақтамауы мүмкін деген гипотеза қойды. Олар паритет сақталуын зертханада тексеру үшін эксперименттің жобасын жасады. Кейін сол жылы Чиен Шиунг Ву және оның әріптестері Ву экспериментін жүргізіп, кобальт-60-ның төмен температурада асимметриялық бета-ыдырауын көрсетті, бұл бета-ыдырауда паритет сақталмайтынын дәлелдеді. Бұл күтпеген нәтиже паритет және әлсіз күш туралы бұрынғы қалыптасқан түсініктерді түгелдей өзгертіп жіберді. Олардың теориялық жұмыстары үшін Ли мен Янг 1957 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Алайда, әйел болғандықтан Вуға Нобель сыйлығы берілмеді.

β- ыдырау

Ыдырау кезінде әлсіз өзара әрекеттесу атом ядросын атомдық саны бірге артқан ядроға айналдырады, сонымен қатар электрон мен электрон антинейтриносын шығарады. Ыдырау көбінесе нейтронға толы ядроларда жүзеге асады. Жалпы теңдеу:

→ + + Егер бұл L қабығынан болса, процесс L тұтқындау деп аталады, және т.б. Электронды тұтқындау – β+ ыдырауға қабілетті барлық ядролар үшін бәсекелес (бір уақытта) ыдырау процесі. Дегенмен, керісіне дұрыс емес: электронды тұтқындау – позитрон мен нейтрино шығаруға жеткілікті энергиясы жоқ протонға толы нуклидтерде рұқсат етілген ыдыраудың жалғыз түрі.

Бета ыдырауының түрлері арасындағы бәсекелестік

Көбінесе тұрақсыз нуклидтер анық түрде "нейтронға бай" немесе "протонға бай" болып табылады, біріншісі бета-ыдырауға, ал екіншісі электронды тұтқындауға (немесе сирек жағдайларда, жоғары энергия талаптарына байланысты, позитрон ыдырауына) ұшырайды. Дегенмен, тақ сан протонға және тақ сан нейтронға ие радионуклидтердің кейбір жағдайларында, радионуклидтің бета-плюс немесе бета-минус ыдырау арқылы жұп протонға, жұп нейтронға ие изобарға ыдырауы энергетикалық тұрғыдан тиімді болуы мүмкін. Көбінесе мысалға келтірілетін мыс-64 (29 протон, 35 нейтрон) – бір ғана изотоп, ол бета-ыдыраудың үш түрін көрсетеді. Мыс-64-тің жартылай ыдырау периоды шамамен 12,7 сағатты құрайды. Бұл изотоптың жұп емес бір протоны мен бір нейтроны бар, сондықтан протон немесе нейтрон ыдырауы мүмкін. Бұл нуклид (барлық нуклидтерге қатысты емес) позитрон эмиссиясы (18) немесе электронды тұтқындау (43) арқылы протон ыдырауы арқылы 64-никельге, немесе электрон эмиссиясы (39) арқылы нейтрон ыдырауы арқылы 64-мырышқа ыдырау ықтималдығы шамамен бірдей.

Табиғи түрде кездесетін нуклидтердің тұрақтылығы

Жер бетіндегі табиғи түрде кездесетін нуклидтердің көпшілігі бета-тұрақты. Бета-тұрақты емес нуклидтердің жартылай ыдырау периоды бір секундтан аз уақыттан бастап, ғаламның жасынан әлдеқайда ұзақ мерзімге дейін жетеді. Ұзақ өмір сүретін изотоптардың кең таралған мысалы – жұп емес протонды, жұп емес нейтронды нуклид, мысалы, калий, ол үш түрлі бета-ыдырауға (бета-минус, бета-плюс және электрон тұтқындау) 1.277 жартылай ыдырау периодында ұшырайды.

Лептондар саны сақталады

Сонымен, барлық лептондарға +1, антилептондарға -1, ал лептоникалық емес бөлшектерге 0 саны тағайындалған.

Бұрыштық импульс

Рұқсат етілген ыдыраулар үшін таза орбиталық бұрыштық импульс нөлге тең, сондықтан тек спиндік кванттық сандар ғана қарастырылады. Электрон және антинейтрино - фермиондар, спин 1/2 бөлшектері, демек олар толық (параллельді) немесе (антипараллельді) күйге түсуі мүмкін. Тыйым салынған ыдыраулар үшін орбиталық бұрыштық импульсті де ескеру қажет.

Энергияның босауы

Q мәні берілген ядролық ыдырауда бөлінетін жалпы энергия ретінде анықталады. Бета-ыдырауда Q, шығарылған бета-бөлшектің, нейтриноның және кері соққыға ұшыраған ядроның кинетикалық энергияларының қосындысына тең болады. (Бета-бөлшегі мен нейтриноға қарағанда ядроның массасы әлдеқайда үлкен болғандықтан, кері соққыға ұшыраған ядроның кинетикалық энергиясын көбінесе ескермеуге болады.) Сондықтан бета-бөлшектер 0-ден Q-ға дейінгі кез келген кинетикалық энергиямен шығарылуы мүмкін.

Куриелік жер учаскесі

Кури графигі (Ферми-Кури графигі деп те аталады) – Франц Н.Д. Кури әзірлеген, бета-ыдырауды зерттеуде қолданылатын график. Онда, белгілі бір тар диапазон ішіндегі импульстары (немесе энергиясы) болатын бета-бөлшектер санының квадрат түбірі, Ферми функциясына бөлінген күйінде, бета-бөлшектер энергиясына қатысты сызылады. Ферми бета-ыдырау теориясына сәйкес, рұқсат етілген және кейбір тыйым салынған ауысулар үшін бұл график түзу сызық болып келеді. Кури графигінің энергия осьімен (x осьімен) қиылысатын нүктесі, электронға/позитронға берілген максималды энергияға (ыдыраудың Q мәніне) сәйкес келеді. Кури графигі арқылы нейтриноның тиімді массасының шегін анықтауға болады.

Бета ыдырауында шығарылған нейтрино, электрон және позитронның спиральділігі (поляризациясы)

Паритетті сақтамауды ашқаннан кейін (тарихқа қараңыз), бета-ыдырауда электрондар көбінесе теріс спиральдылықпен шығарылады, яғни, қарапайым тілмен айтқанда, олар материалға бұралатын сол қол бұрандасы сияқты қозғалады (теріс бойлық поляризацияға ие). Керісінше, позитрондар көбінесе оң спиральдылыққа ие, яғни олар оң қол бұрандасы сияқты қозғалады. Нейтринолар (позитрон ыдырауында шығарылатын) теріс спиральдылыққа ие, ал антинейтринолар (электрон ыдырауында шығарылатын) оң спиральдылыққа ие. Бөлшектердің энергиясы жоғарылаған сайын олардың поляризациясы да жоғарылайды.

Бета ыдырау ауысуларының түрлері

Бета-ыдырауды шығарылатын сәулеленудің бұрыштық импульсі (L мәні) және жалпы спині (S мәні) бойынша жіктеуге болады. Жалпы бұрыштық импульс, орбиталық және спиндік бұрыштық импульс қоса алғанда, сақталуы тиіс болғандықтан, бета-ыдырау әртүрлі кванттық күйлерге өту арқылы, әр түрлі ядролық бұрыштық импульс немесе спин күйлеріне қатысты жүзеге асады, бұл "Ферми" немесе "Гамов-Теллер" өтулері деп аталады. Егер бета-ыдырау бөлшектері бұрыштық импульс тасымалдамаса (L = 0), ыдырау "рұқсат етілген" деп аталады, әйтпесе ол "тыйым салынған" болады. Басқа сирек кездесетін ыдырау түрлері – байланысқан күйдегі ыдырау және қос бета-ыдырау.

Ферми ауысулары

Ферми ауысуы – бұл бета-бөлініс, онда шығарылған электронның (позитронның) спині мен антинейтриноның (нейтриноның) спині толық спинге жұптасады, нәтижесінде ядроның бастапқы және соңғы күйлері арасында бұрыштық импульс өзгереді (рұқсат етілген ауысу жағдайында). Релятивистік емес лимитте Ферми ауысуы операторының ядролық бөлігі әлсіз векторлық жұпталу тұрақтысымен, изоспин көтеру және төмендету операторларымен, және ядродағы барлық протон және нейтрондар бойынша қосындымен беріледі.

Шекті күйдегі β- ыдырау

Еркін нейтронның өте аз бөлігі (шамамен миллионға төрт) «екі дене ыдырауы» деп аталады, онда протон, электрон және антинейтрино пайда болады, бірақ электрон протоннан қашу үшін қажетті 13,6 эВ энергияны ала алмайды, сондықтан ол нейтралды сутек атомы ретінде байланыста қалады. Бұл типтегі бета-ыдырауда, негізінен нейтронның барлық ыдырау энергиясы антинейтриномен шығарылады. Толық иондалған атомдарда (жалаңаш ядроларда) электрондардың атомнан қашып кетпеуі және ядродан төменгі атомдық байланысқан күйлерге (орбитальдарға) эмиссиялануы мүмкін. Бұл электрондармен толған төменгі байланысқан күйдегі бейтарап атомдар үшін мүмкін емес. Байланысқан күйдегі β-ыдырау 1947 жылы Даудель, Жан және Лекоин болжаған, ал толық иондалған атомдардағы құбылысты алғаш рет 1992 жылы Юнг және авторлар тобы Дармштадт ауыр иондар зерттеу орталығында 163Dy66+ үшін байқаған. Бейтарап 163Dy66+ тұрақты изотоп болғанымен, толық иондалған 163Dy66+ 47 күн жартылай өмірмен K және L қабықшаларына β-ыдырауға ұшырайды. Нәтижесінде пайда болған ядро – гольмийдің тұрақты изотопы, тек толық иондалған күйде ғана тұрақты болады және нейтральды күйде электронды ұстау арқылы ыдырайды. Гольмийдің бейтарап изотопының жартылай өмірі 4750 жылды құрайды. Тағы бір мүмкіндік – толық иондалған атомның күрт үдеген β-ыдырауы, бұл 187Re үшін Бош және авторлар тобы, сондай-ақ Дармштадтта байқаған. Бейтарап 187Re-нің β-ыдырауы 41,6 жылды құрайды, ал толық иондалған 187Re75+ үшін бұл 32,9 жылға дейін қысқартылады. Салыстыру үшін, басқа ядролық процестердің ыдырау жылдамдығының химиялық ортаға байланысты өзгеруі 1%-дан кем. Рений мен осмий бағасының айырмашылығы және жер бетінде табылған рений үлгілеріндегі оның жоғары үлесіне байланысты, бұл бір күні құнды металдарды синтездеуде коммерциялық қызығушылық тудыруы мүмкін.

Қос бета ыдырау

Кейбір ядролар қос бета ыдыраудан (ββ ыдырау) өтеді, онда ядро заряды екі бірлікке өзгереді. Қос бета ыдырауын зерттеу қиын, себебі бұл процестің жартылай ыдырау мерзімі өте ұзақ. Бір бета ыдырауы да, қос бета ыдырауы да мүмкін болатын ядроларда, сирек кездесетін қос бета ыдырау процесін байқау іс жүзінде мүмкін емес. Дегенмен, бір бета ыдырауына тыйым салынған, бірақ қос бета ыдырауына рұқсат етілген ядроларда, процесті көруге және жартылай ыдырау мерзімін өлшеуге болады. Сондықтан, қос бета ыдырауы көбінесе бета тұрақты ядролар үшін ғана зерттеледі. Бір бета ыдырауы сияқты, қос бета ыдырауы да A-ны өзгерте алмайды; демек, белгілі бір A санына ие нуклидтердің кем дегенде бірі, бір және қос бета ыдырауына қатысты тұрақты болуы керек. "Қалыпты" қос бета ыдырауы екі электрон мен екі антинейтриноның шығарылуына алып келеді. Егер нейтринолар Майорана бөлшектері болса (яғни, өздері антибөлшектері болса), онда нейтриносыз қос бета ыдырауы деп аталатын ыдырау орын алады. Көптеген нейтрино физиктері нейтриносыз қос бета ыдырауы ешқашан байқалмағанын сенеді.