Введение

Тип радиоактивного распада

В ядерной физике бета-распад (β-распад) — это тип радиоактивного распада, при котором атомное ядро излучает бета-частицу (быстрый энергетический электрон или позитрон), превращаясь в изобар этого нуклида. Например, бета-распад нейтрона превращает его в протон путем испускания электрона, сопровождаемого антинейтрино; или, наоборот, протон превращается в нейтрон путем испускания позитрона с нейтрино, в так называемом позитронном излучении. Ни бета-частица, ни связанное с ней (анти)нейтрино не существуют в ядре до бета-распада, но создаются в процессе распада. В результате этого процесса нестабильные атомы достигают более стабильного соотношения протонов к нейтронам. Вероятность распада нуклида посредством бета-распада и других форм распада определяется его энергией ядерного связывания. Энергии связывания всех существующих нуклидов формируют так называемую ядерную полосу или долину стабильности. Для того чтобы эмиссия электрона или позитрона была энергетически возможна, высвобождаемая энергия (см. ниже) или Q-значение должно быть положительным. Бета-распад является следствием слабого взаимодействия, которое характеризуется относительно длительным временем распада. Нуклоны состоят из верхних и нижних кварков, и слабое взаимодействие позволяет кварку изменять свой аромат путем испускания W-бозона, что приводит к образованию пары электрон/антинейтрино или позитрон/нейтрино. Например, нейтрон, состоящий из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, распадается на протон, состоящий из одного нижнего кварка и двух верхних кварков. Электронный захват иногда рассматривается как разновидность бета-распада, поскольку основной ядерный процесс, опосредованный слабым взаимодействием, одинаков. При электронном захвате внутренний атомный электрон захватывается протоном в ядре, превращая его в нейтрон, и испускается электронное нейтрино.

Открытие и первоначальная характеристика

Радиоактивность была открыта в 1896 году Анри Беккерелем в уране, а затем наблюдалась Мари и Пьером Кюри в тории и в новых элементах полонии и радии. В 1899 году Эрнест Резерфорд разделил радиоактивные излучения на два типа: альфа и бета (ныне бета-минус), основываясь на проникающей способности и способности вызывать ионизацию. Альфа-лучи могли быть остановлены тонкими листами бумаги или алюминия, тогда как бета-лучи могли проникать на несколько миллиметров алюминия. В 1900 году Поль Виллард идентифицировал еще более проникающий тип излучения, который Резерфорд в 1903 году определил как принципиально новый тип и назвал гамма-лучами. Альфа, бета и гамма – первые три буквы греческого алфавита. В 1900 году Беккерель измерил отношение массы к заряду (m/e) для бета-частиц методом Дж. Дж. Томсона, использовавшимся для изучения катодных лучей и идентификации электрона. Он обнаружил, что m/e для бета-частицы совпадает с m/e для электрона Томсона, и поэтому предположил, что бета-частица фактически является электроном. В 1901 году Резерфорд и Фредерик Содди показали, что альфа- и бета-радиоактивность включает в себя трансмутацию атомов в атомы других химических элементов. В 1913 году, после того как были известны продукты большего числа радиоактивных распадов, Содди и Казимеж Фаянс независимо предложили свой закон радиоактивного смещения, который утверждает, что бета- (т. е. ) эмиссия из одного элемента приводит к образованию другого элемента, находящегося на одно место правее в периодической таблице, в то время как альфа-эмиссия приводит к образованию элемента на два места левее.

Нейтрино

Исследование бета-распада предоставило первые физические доказательства существования нейтрино. При альфа- и гамма-распадах, образующаяся альфа- или гамма-частица имеет узкое распределение энергии, поскольку частица уносит энергию, соответствующую разнице между начальным и конечным ядерными состояниями. Однако распределение кинетической энергии, или спектр, бета-частиц, измеренные Лизой Майтнер и Отто Ханом в 1911 году и Жаном Данишем в 1913 году, показали несколько линий на размытом фоне. Эти измерения дали первое указание на то, что бета-частицы имеют непрерывный спектр. В 1914 году Джеймс Чедвик использовал магнитный спектрометр с одним из новых счетчиков Ганса Гейгера для проведения более точных измерений, которые подтвердили непрерывность спектра. Распределение энергий бета-частиц казалось противоречащим закону сохранения энергии. Если бы бета-распад представлял собой просто эмиссию электронов, как предполагалось в то время, то энергия испускаемого электрона должна была бы иметь конкретное, четко определенное значение. Однако для бета-распада наблюдаемое широкое распределение энергий указывало на потерю энергии в процессе бета-распада. Этот спектр оставался загадкой на протяжении многих лет. Вторая проблема связана с сохранением углового момента. Спектры молекулярных полос показали, что ядерный спин азота-14 равен 1 (то есть равен приведенной постоянной Планка) и, в более общем случае, что спин является целым для ядер с четным массовым числом и полуцелым для ядер с нечетным массовым числом. Это впоследствии было объяснено протоно-нейтронной моделью ядра. Свойства нейтрино соответствовали предсказаниям Паули и Ферми (с некоторыми незначительными модификациями).

распад и захват электронов

В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри облучали алюминий альфа-частицами, вызывая ядерную реакцию: Гелий-4 + Алюминий-27 → Фосфор-30 + Нейтроний-1, и наблюдали, что изотоп Фосфор-30 испускает позитрон, идентичный тем, что были обнаружены в космических лучах (открытых Карлом Дэвидом Андерсоном в 1932 году). Это был первый пример бета-плюс распада (эмиссии позитронов), который они назвали искусственной радиоактивностью, поскольку Фосфор-30 является короткоживущим нуклидом, не существующим в природе. За это открытие супруги были удостоены Нобелевской премии по химии в 1935 году. Теория электронного захвата была впервые предложена Джан Карло Виком в 1934 году и впоследствии развита Хидеки Юкавой и другими учеными. Захват K-электронов был впервые экспериментально обнаружен в 1937 году Луисом Альваресом в нуклиде 48V. Альварес продолжил изучение электронного захвата в 67Ga и других нуклидах.

Не сохранение паритета

В 1956 году Цун Дао Ли и Чэнь Нин Янь заметили отсутствие экспериментальных данных, подтверждающих сохранение чётности при слабом взаимодействии, и предположили, что эта симметрия может не соблюдаться слабой силой. Они разработали схему эксперимента для проверки сохранения чётности в лабораторных условиях. Позднее в том же году Чиен Шиунг Ву и её коллеги провели эксперимент Ву, продемонстрировавший асимметричный бета-распад кобальта-60 при низких температурах, что доказало нарушение чётности при бета-распаде. Этот неожиданный результат опроверг устоявшиеся представления о чётности и слабом взаимодействии. В 1957 году Ли и Янг были удостоены Нобелевской премии по физике за их теоретические работы. Однако Ву, будучи женщиной, не была удостоена Нобелевской премии.

β− распад

При бета-распаде слабое взаимодействие преобразует атомное ядро в ядро с атомным номером, увеличенным на единицу, испуская электрон и электронное антинейтрино. Бета-распад обычно происходит в ядрах, богатых нейтронами. Общее уравнение:

→ + + Если захват электрона происходит из L-оболочки, процесс называется L-захватом и т.д. Захват электронов является конкурирующим (одновременным) процессом распада для всех ядер, способных к β+ распаду. Однако обратное неверно: захват электронов – единственный разрешенный тип распада для протон-богатых нуклидов, у которых недостаточно энергии для испускания позитрона и нейтрино.

Конкуренция типов бета-распада

Обычно нестабильные нуклиды явно либо "богаты нейтронами", либо "богаты протонами", причем первые подвергаются бета-распаду, а последние – захвату электронов (или реже, из-за более высоких энергетических требований, позитронному распаду). Однако в некоторых случаях радионуклидов с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов может быть энергетически выгодно распадаться до изобара с четным числом протонов и четным числом нейтронов посредством бета-плюс или бета-минус распада. Часто приводимым примером является единственный изотоп медь-64 (29 протонов, 35 нейтронов), который демонстрирует конкуренцию трех типов бета-распада. Медь-64 имеет период полураспада около 12,7 часов. Этот изотоп содержит один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому распад может происходить как за счет протона, так и за счет нейтрона. Этот конкретный нуклид (хотя и не все нуклиды в подобной ситуации) почти с одинаковой вероятностью может распадаться посредством распада протона с испусканием позитронов (18) или захватом электронов (43) до никеля-64, как и посредством распада нейтрона с испусканием электронов (39) до цинка-64.

Стабильность природных нуклидов

Большинство естественно встречающихся на Земле нуклидов бета-стабильны. Нуклиды, которые не являются бета-стабильными, имеют периоды полураспада от менее секунды до периодов времени, значительно превышающих возраст Вселенной. Одним из распространенных примеров долгоживущего изотопа является нуклид калия с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов, который подвергается всем трем типам бета-распада (β⁻, β⁺ и захвату электронов) с периодом полураспада 1,277.

Лептоновое число сохранено

Таким образом, всем лептонам присваивается значение +1, антилептонам −1, а нелептонным частицам 0.

Угловой момент

Для разрешенных распадов суммарный орбитальный угловой момент равен нулю, поэтому учитываются только спиновые квантовые числа. Электрон и антинейтрино являются фермионами, частицами со спином 1/2, следовательно, они могут соединяться в состояния с полным (параллельным) или (антипараллельным) спином. Для запрещенных распадов необходимо также учитывать орбитальный угловой момент.

Выброс энергии

Значение Q определяется как полная энергия, выделяемая при данном ядерном распаде. В бета-распаде Q, следовательно, также является суммой кинетических энергий испущенной бета-частицы, нейтрино и ядра отдачи. (Вследствие большой массы ядра по сравнению с массой бета-частицы и нейтрино, кинетической энергией ядра отдачи обычно можно пренебречь.) Бета-частицы могут испускаться с любой кинетической энергией в диапазоне от 0 до Q.

Кури-площадка

График Кури (также известный как график Ферми — Кури) — это график, используемый при изучении бета-распада, разработанный Францем Н. Д. Кури. На нём изображается квадратный корень из числа бета-частиц, импульс (или энергия) которых лежит в пределах определённого узкого диапазона, делённый на функцию Ферми, в зависимости от энергии бета-частиц. Для разрешённых и некоторых запрещённых переходов график представляет собой прямую линию, что согласуется с теорией бета-распада Ферми. Пересечение графика Кури с осью энергии (осью x) соответствует максимальной энергии, сообщаемой электрону/позитрону (Q-значение распада). С помощью графика Кури можно определить верхнюю границу эффективной массы нейтрино.

Гелическая сила (поляризация) нейтрино, электронов и позитронов, излучаемых при бета-распад

После открытия не сохранения паритета (см. История), было обнаружено, что при бета-распаде электроны испускаются в основном с отрицательной спиральностью, то есть они двигаются, упрощенно говоря, как левые винты, вкручивающиеся в материал (у них отрицательная продольная поляризация). И наоборот, позитроны имеют в основном положительную спиральность, то есть они двигаются как правые винты. Нейтрино (излучаемые при распаде позитронов) имеют отрицательную спиральность, а антинейтрино (излучаемые при распаде электронов) – положительную спиральность. Чем выше энергия частиц, тем выше их поляризация.

Типы переходов бета-распада

Бета-распад можно классифицировать в соответствии с угловым моментом (значением L) и полным спином (значением S) испускаемого излучения. Поскольку полный угловой момент должен сохраняться, включая орбитальный и спиновый угловой момент, бета-распад происходит посредством различных квантовых переходов в различные ядерные угловые моменты или спиновые состояния, известные как переходы "Ферми" или "Гамова–Теллера". Когда частицы бета-распада не несут угловой момент (L = 0), распад называют "разрешенным", в противном случае он "запрещенный". Другие, редкие, типы распада называются распадом в связанном состоянии и двойным бета-распадом.

Переходы Ферми

Переход Ферми — это бета-распад, в котором спины испускаемого электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино) складываются, образуя полный спин, что приводит к изменению углового момента между начальным и конечным состояниями ядра (при условии разрешенного перехода). В нерелятивистском пределе ядерная часть оператора для перехода Ферми задается выражением

где — слабая векторная постоянная связи, — операторы рождения и уничтожения изоспина, суммирование ведется по всем протонам и нейтронам в ядре.

Распад в предельном состоянии β−

Очень небольшое меньшинство свободных нейтронных распадов (около четырех на миллион) являются так называемыми "распадами на два тела", в которых образуются протон, электрон и антинейтрино, но электрон не приобретает энергию 13,6 эВ, необходимую для покидания протона, и поэтому просто остаётся связанным с ним, образуя нейтральный атом водорода. В этом типе бета-распада, по сути, вся энергия распада нейтрона уносится антинейтрино. Для полностью ионизированных атомов (голых ядер) также возможно, что электроны не смогут покинуть атом и будут испускаться из ядра в низколежащие связанные атомные состояния (орбитали). Это не может произойти для нейтральных атомов с низкими связанными состояниями, которые уже заполнены электронами. Распад в связанных состояниях β был предсказан Дауделем, Жаном и Лекуаном в 1947 году, а явление в полностью ионизированных атомах впервые было наблюдено для 163Dy66+ в 1992 году Юнгом и др. из Дармштадтского центра исследования тяжёлых ионов. Хотя нейтральный изотоп стабилен, полностью ионизированный 163Dy66+ подвергается β-распаду в K- и L-оболочки с периодом полураспада 47 дней. Полученное ядро 163Ho (изотопы гольмия) стабильно только в полностью ионизированном состоянии и будет распадаться посредством захвата электронов в нейтральном состоянии. Период полураспада для нейтрального 163Ho (изотопов гольмия) составляет 4750 лет. Другая возможность заключается в том, что полностью ионизированный атом подвергается значительно ускоренному β-распаду, как было замечено для 187Re Бошем и др., также в Дармштадте. Нейтральный 187Re подвергается β-распаду с периодом полураспада 41,6 года, но для полностью ионизированного 187Re75+ этот период сокращается до всего лишь 32,9 лет. Для сравнения, изменение скорости распада других ядерных процессов, обусловленное химической средой, составляет менее 1%. Ввиду разницы в цене рения и осмия, а также высокой доли рения в образцах, найденных на Земле, это в будущем может представлять коммерческий интерес в синтезе драгоценных металлов.

Двойной бета-распад

Некоторые ядра могут подвергаться двойному бета-распаду (ββ-распад), при котором заряд ядра изменяется на две единицы. Двойной бета-распад трудно изучать, поскольку процесс имеет чрезвычайно большой период полураспада. В ядрах, для которых возможны как β-распад, так и ββ-распад, более редкий процесс ββ-распада практически невозможно наблюдать. Однако в ядрах, где β-распад запрещён, но ββ-распад разрешён, процесс можно наблюдать и измерить период полураспада. Таким образом, ββ-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и при одинарном бета-распаде, двойной бета-распад не изменяет массовое число А; следовательно, по крайней мере один из нуклидов с заданным массовым числом А должен быть стабилен по отношению как к одинарному, так и к двойному бета-распаду. "Обычный" двойной бета-распад приводит к испусканию двух электронов и двух антинейтрино. Если нейтрино являются частицами Майораны (то есть, они являются собственными античастицами), то произойдёт распад, известный как двойной бета-распад без нейтрино. Большинство физиков-нейтриноведов полагают, что двойной бета-распад без нейтрино никогда не был зарегистрирован.