Beta partikel

Beta-partiklar ( engelska  beta-partiklar , tyska  Betateilchen , β-partiklar ) är elektroner och positroner som flyger ut ur atomkärnorna hos vissa radioaktiva ämnen under radioaktivt beta-sönderfall . Rörelseriktningen för beta-partiklar ändras av magnetiska och elektriska fält , vilket indikerar närvaron av en elektrisk laddning i dem. Elektronhastigheter når 0,998 ljusets hastighet . Beta-partiklar joniserar gaser , orsakar luminescens av många ämnen som verkar på fotografiska filmer. Flödet av beta-partiklar kallas beta-strålning.

Beta-partiklar är laddade partiklar och interagerar därför intensivt med materia över hela sin väg. De lämnar efter sig ett spår av joniserade atomer och molekyler . När det upptäcks i molnkammare och bubbelkammare i ett magnetfält vrids spåret, vilket gör att beta-partiklar kan identifieras genom deras förhållande mellan laddning och massa .

Mer än 1500 kärnor är kända för att avge beta-partiklar under sönderfallet [1] .

Historik

Efter upptäckten av Henri Becquerel 1896 av radioaktiv strålning började dess aktiva forskning. 1899 publicerade Ernest Rutherford en artikel där han visade att det fanns flera typer av partiklar som sänds ut: tunga, positivt laddade partiklar med låg penetrerande kraft, kallad alfastrålning , och lätta, negativt laddade partiklar med hundra gånger större räckvidd i materia, som han kallade betastrålning. År 1900 visade Becquerel, genom att mäta förhållandet mellan laddningen av beta-partiklar och deras massa, att dessa partiklar är elektroner.

1930, medan han utvecklade teorin om beta-sönderfall , föreslog Enrico Fermi att beta-partiklar inte finns i kärnan, utan produceras genom sönderfallet av en neutron. Fermis teori blev senare grunden för konstruktionen av moderna teorier om svag interaktion .

Typer av beta-partiklar

Det finns två typer av beta-sönderfall, och följaktligen två typer av beta-partiklar, som bildas:

• β - partikel- elektron . Det bildas under sönderfallet av en neutron enligt schemat , Där n är en neutron, p +  är en proton , e -  är en elektron,  är en antineutrino. Enligt detta schema sönderfaller både fria neutroner och många naturliga isotoper med ett överskott av neutroner.
• β + partikel -positron . Det bildas under sönderfallet av en proton enligt schemat . Enligt detta schema sönderfaller tunga kärnor.

Strålningskällor

Direkt bildas beta-partiklar under sönderfallet av en virtuell laddad W - -boson till en elektron och en antineutrino. En boson bildas i sin tur genom att en d-kvark, som finns i en neutron, sönderfaller till en u-kvark och en W - boson. Vid positronsönderfall sker alla dessa reaktioner med motsatta tecken: u-kvarken i protonen sönderfaller med bildandet av en d-kvark och en W + -boson, som sönderfaller till en positron och en neutrino.

Under beta-sönderfall bildas det förutom beta-partiklar ofta också gamma-kvanter, så rena beta-strålare har en bredare praktisk tillämpning. Dessa inkluderar nuklider [2] :

• Väte-3 ( tritium )
• Järn-55
• Nickel-63
• Krypton-85
• Strontium-90
• Yttrium-90
• Rutenium-106
• Rhodium-106
• Cerium-144
• Praseodymium-144
• Promethium-147
• Tallium-204
• Plutonium-238

och andra.

Strukturellt sett är beta-partikelkällor en kapsel som innehåller en radioaktiv isotop och ett hål genom vilket partiklar släpps ut.

Spektrum

Till skillnad från alfapartiklar , vars spektrum har uttalade toppar, är spektrumet av beta-partiklar kontinuerligt. Detta beror på det faktum att under sönderfallet av W-bosonen fördelas energin mellan de två produkterna av detta sönderfall godtyckligt, och vilken kombination av neutrino- och elektronenergi som helst är möjlig. Den maximala energin för en beta-partikel beror på typen av sönderfall och är lika med [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 för β - och [M (A, Z ) ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 för β + , där M (A, Z) är massan av nuklidkärnan med serienummer Z och antalet nukleoner i kärnan A [3] .

Den maximala beta-partikelenergin sträcker sig från 18,6 kiloelektronvolt ( tritiumsönderfall ) till 20 MeV (litium-11-sönderfall)

Dessutom förskjuts energiområdet för beta-partiklar på grund av verkan av Coulomb-krafter som saktar ner elektroner och accelererar positroner.

Det specifika energispektrumet för beta-partiklar beskrivs med följande ekvation [4] :

där γ är energin i enheter av mc 2, dvs. E/mc 2 , N (γ) dγ är andelen kärnor som emitterar beta-partiklar med energi γ per tidsenhet, f (Z, γ) är en funktion som uttrycker verkan av Coulomb krafter på partikel, | m | 2  - kvadraten på matriselementet bestämmer avklingningssannolikheten, γ 0  är den begränsande avklingningsenergin och G är någon konstant.

I vissa fall inträffar beta-sönderfall med excitation av kärnans tillstånd, vars energi överförs sedan till elektroner från atomens elektronskal. Detta fenomen kallas intern konvertering . I det här fallet har spektrumet av beta-partiklar flera uttalade toppar [5] .

Spektrum av beta-partiklar undersöks med en beta-spektrometer .

Interaktion med materia

Genomsnittlig körlängd

Beta-partiklar interagerar med elektroner och kärnor i materia tills de stannar. Omfattningen av beta-partiklar beror på deras energi. Det effektiva området (tjockleken på ämneslagret, som stoppar nästan alla partiklar) presenteras i tabellen [6] :

I de flesta fall räcker det med en 1–2 cm tjock plexiglasskärm [7] eller en 3–5 mm tjock plåt för att skydda mot beta-partiklar.

Interaktion med elektronskal

Vid kollisioner med atomer kan en beta-partikel jonisera en atom eller överföra den till ett exciterat tillstånd. Båda händelserna har ungefär lika sannolikheter, och energin som går förlorad på detta sätt kallas joniseringsförlust.

Den genomsnittliga energiförlusten av en elektron när den passerar genom ett lager av enkel materia kan uttryckas med följande formel, upptäckt av Landau [5] :

där Δx är tjockleken på ämnesskiktet, ρ är ämnets densitet, β är elektronhastigheten i enheterna c, Z och A är elementets laddning och massa.

Denna formel bör dock tillämpas med försiktighet på riktiga beta-partiklar, eftersom den beskriver en monokrom elektronstråle, och i deras naturliga stråle finns det alltid elektroner med olika energier, som saktar ner med olika hastigheter.

Interaktion med atomkärnor

När man interagerar med en kärna kan elektroner spridas en eller flera gånger i kärnans Coulomb-fält. En egenskap hos beta-partiklar är att deras rörelsemängd på grund av sin lilla massa kan förändras kraftigt under spridningen, vilket leder till bremsstrahlung . För högenergielektroner är sådan strålning en mer betydande energiförlustkanal [6] . De emitterade gammakvanterna kan i sin tur också slå ut elektroner, vilket leder till att det bildas kaskader av elektroner i materia. Energin hos beta-partiklar, vid vilken strålningsförluster utjämnas med joniseringsförluster, kallas den kritiska energin. Beroende på ämnet kan den kritiska energin variera från 83 MeV (luft) till 7 MeV (bly) - eftersom energin hos partiklar som produceras av beta-sönderfall sällan överstiger 5 MeV, är denna kanal inte den huvudsakliga.

På grund av spridning på kärnor ändrar beta-partiklar kraftigt sin rörelseriktning: den genomsnittliga avböjningsvinkeln för en beta-partikel är proportionell mot kvadratroten av tjockleken av det passerade lagret av materia, och med ett tillräckligt tjockt lager är det ingen längre möjligt att tala om elektronernas rörelseriktning, och deras rörelse är mer som diffusion [5] .

Cherenkov strålning

Eftersom beta-partiklarnas hastighet som regel är nära ljusets hastighet, när de kommer in i ett transparent medium, rör de sig snabbare än ljuset i detta medium, vilket leder till uppkomsten av Cherenkov-strålning. Sådan strålning är karakteristisk för till exempel kärnreaktorer som använder vatten som neutronmoderator.

Backscatter

När beta-partiklar träffar ytan på något material, reflekteras vissa av dem i stora vinklar (> 90 °). Detta fenomen kallas backscattering . Den del av partiklarna som reflekteras i stora vinklar efter att ha fallit på ytan av ett ämne kallas backspridningskoefficienten. Denna koefficient beror kvalitativt på ämnets atomnummer, energin hos de infallande partiklarna och tjockleken på ämnesskiktet enligt följande [5] :

1. Ökar i proportion till kärnans laddning till styrkan 2/3
2. Den ökar i proportion till ämnesskiktets tjocklek, tills den blir lika med ca 1/5 av den effektiva väglängden för beta-partiklar i detta ämne, varefter ytterligare tillväxt upphör att påverka koefficienten. Denna tjocklek kallas mättnadstjocklek.
3. Den ökar med ökningen av den maximala energin för beta-partiklar upp till 0,6 MeV, varefter den förblir praktiskt taget oförändrad.

Detektion av beta-partiklar

Det huvudsakliga sättet att upptäcka beta-partiklar är att mäta joniseringen de skapar [5] . För detektering av partiklar med relativt låg energi är gasfyllda räknare (som Geiger-Muller-räknare ) eller fasta tillståndsräknare vanligast. För att detektera elektroner med högre energier används räknare som registrerar Cherenkov-strålningen som skapas av snabba partiklar.

Användning

Betaterapi

Betapartiklar används inom medicin - bestrålning med elektroner som produceras under beta-sönderfall. Betaterapi är en typ av strålbehandling och används för att behandla tumörer och andra patologiska förändringar i vävnader. Det finns flera former av betaterapi: strålande applikatorer kan appliceras på de drabbade områdena av kroppen, eller lösningar som innehåller strålningsisotoper kan administreras intrakavitärt [8] .

Mätning av tjockleken på tunna lager

Med hjälp av fenomenet backscattering är det möjligt att mycket noggrant bestämma tjockleken på tunna materiallager, såsom papper - upp till ett visst värde ökar antalet reflekterade elektroner i proportion till tjockleken på materialagret. Sådana mätningar kan också utföras genom att mäta andelen beta-partiklar som absorberas av ämnet [9] . Med hjälp av backscattering är det också möjligt att mäta tjockleken på beläggningen utan att skada den [5] .

Bakgrundsbelysning

Eftersom beta-partiklar orsakar en glöd när de träffar en yta belagd med en fosfor , används de för att skapa mycket hållbara ljuskällor: för att göra detta appliceras en liten mängd av en emitterande isotop (till exempel tritium ) på ytan som kommer att tjäna som en ljuskälla och dessutom belagd med en fosfor. Beta-partiklar som emitteras av isotopen får ytan att glöda i årtionden. Således är visare på klockor och andra enheter ofta framhävda [10] .

Effekter på kroppen

Beta-partiklar hålls väl kvar av kläder, så de är farliga, först och främst om de kommer på huden eller inuti kroppen. Så efter Tjernobyl-katastrofen fick människor beta-brännskador på fötterna eftersom de gick barfota [7] .

Den huvudsakliga faktorn i påverkan av betastrålning på kroppen är joniseringen den skapar. Det kan leda till metabola störningar i cellen och vidare till dess död. Särskilt farligt är frigörandet av beta-partikelenergi bredvid DNA- molekylen , vilket leder till potentiellt onkologiskt farliga mutationer [11] . Vid höga doser av strålning kan den samtidiga döden av ett stort antal celler i vävnader orsaka deras patologiska förändringar ( strålningssjuka ). De mest sårbara för strålning är slemhinnor , hematopoetiska organ . Nervcellers död är farlig på grund av deras låga återhämtningshastighet.

Den relativa biologiska effektiviteten av beta-strålning är lika med en (som jämförelse, för alfapartiklar är denna siffra 20), eftersom energin som bärs av en beta-partikel är relativt liten [12] .

Dessutom har gammakvanta av bremsstrahlung som skapas av beta-partiklar när de rör sig i materia en mycket större penetreringskraft och kan därför medföra ytterligare fara [13] .

Delta- och epsilonstrålning

Det finns andra typer av strålning vars partiklar är elektroner.

Elektroner som slås ut av partiklar från atomer under jonisering bildar den så kallade deltastrålningen [14] . Delta-partiklar (eller deltaelektroner) är elektroner som beta-partiklar, men deras energi överstiger sällan 1 keV, och spektrumet skiljer sig från det för beta-partiklar. Deltaelektroner kan också i sin tur slå ut andra elektroner, vilket orsakar tertiär jonisering . Elektroner som slås ut av deltapartiklar kallas epsilonpartiklar.

Anteckningar

1. ↑ Beta - Decay Arkiverad 13 december 2016 på Wayback Machine  (ryska)
2. ↑ KÄLLOR TILL JONISERANDE STRÅLNING Arkiverad 25 november 2016 på Wayback Machine  (ryska)
3. ↑ Beta Decay Arkiverad 6 januari 2022 på Wayback Machine  (ryska)
4. ↑ Radioactive Decay Arkiverad 1 maj 2021 på Wayback Machine  (ryska)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Interaktion mellan beta-partiklar och materia Arkivkopia daterad 5 januari 2017 på Wayback Machine  (ryska)
6. ↑ 1 2 Interaktion mellan partiklar och materia Arkiverad 20 november 2016 på Wayback Machine 
7. ↑ 1 2 Beta-strålning Arkiverad 28 juli 2020 på Wayback Machine  (ryska)
8. ↑ Betaterapi . Hämtad 1 maj 2021. Arkiverad från originalet 6 januari 2017. (obestämd)
9. ↑ Beta-strålning i tjocklekskontroll Arkiverad 6 januari 2017 på Wayback Machine 
10. ↑ Tritium: Radioactively Illuminated Clock Arkiverad 17 november 2016 på Wayback Machine  (ryska)
11. ↑ b-RADIATION, DESS PÅVERKAN PÅ MÄNNISKORS HÄLSA Arkivexemplar av 28 november 2016 på Wayback Machine  (ryska)
12. ↑ TILLÄMPNING AV ISOTOPER I KEMI OCH KEMISKA INDUSTRI  (rys.)
13. ↑ Gaseous Tritium Light Sources (GTLS) och Gaseous Tritium Light Devices (GTLDs) Arkiverade 8 oktober 2015 på Wayback Machine 
14. ↑ Delta ray Arkiverad 10 augusti 2020 på Wayback Machine 

Litteratur

• Ukrainian Soviet Encyclopedia : i 12 volymer = Ukrainian Radian Encyclopedia  (ukrainska) / Ed. M. Bazhan . - 2:a vy. - K . : Mål. upplaga av URE, 1974-1985.
• Litet bergsuppslagsverk . I 3 volymer = Liten handuppslagsbok / (På ukrainska). Ed. V.S. Beletsky . - Donetsk: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor norsk Stor norsk Stor ryss Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449