Beta částice

Beta částice ( anglicky  beta částic , německy  Betateilchen , β-particles ) jsou elektrony a pozitrony , které vylétají z atomových jader některých radioaktivních látek při radioaktivním beta rozpadu . Směr pohybu beta částic mění magnetická a elektrická pole , což ukazuje na přítomnost elektrického náboje v nich. Rychlosti elektronů dosahují 0,998 rychlosti světla . Beta částice ionizují plyny , způsobují luminiscenci mnoha látek, které působí na fotografické filmy. Tok beta částic se nazývá beta záření.

Beta částice jsou nabité částice, a proto intenzivně interagují s hmotou po celé délce své dráhy. Zanechávají za sebou stopu ionizovaných atomů a molekul . Při detekci v oblačných komorách a bublinových komorách v magnetickém poli se dráha stáčí, což umožňuje identifikaci beta částic podle jejich poměru náboje k hmotnosti .

Je známo, že více než 1500 jader emituje beta částice během rozpadu [1] .

Historie

Poté, co Henri Becquerel v roce 1896 objevil radioaktivní záření, začal jeho aktivní výzkum. V roce 1899 Ernest Rutherford publikoval článek, ve kterém ukázal, že existuje několik typů emitovaných částic: těžké, kladně nabité částice s nízkou penetrační silou, nazývané alfa záření , a lehké, záporně nabité částice se stokrát větším rozsahem hmoty. které nazval beta záření. V roce 1900 Becquerel měřením poměru náboje beta částic k jejich hmotnosti ukázal, že tyto částice jsou elektrony.

V roce 1930, při vývoji teorie rozpadu beta , Enrico Fermi navrhl, že částice beta nejsou obsaženy v jádře, ale jsou produkovány rozpadem neutronu. Fermiho teorie se později stala základem pro konstrukci moderních teorií slabé interakce .

Typy beta částic

Existují dva typy rozpadu beta, a tedy dva typy beta částic, které se tvoří:

• β - částice - elektron . Vzniká při rozpadu neutronu podle schématu , Kde n je neutron, p +  je proton , e -  je elektron,  je antineutrino. Podle tohoto schématu se rozpadají jak volné neutrony, tak mnoho přírodních izotopů s přebytkem neutronů.
• β + částice - pozitron . Vzniká při rozpadu protonu podle schématu . Podle tohoto schématu se těžká jádra rozpadají.

Zdroje záření

Přímo beta částice vznikají při rozpadu virtuálního nabitého W - -bosonu na elektron a antineutrino. Boson zase vzniká rozpadem d-kvarku, který je v neutronu, na u-kvark a W - boson. V případě rozpadu pozitronu probíhají všechny tyto reakce s opačnými znaménky: u-kvark v protonu se rozpadá za vzniku d-kvarku a W + -bosonu, který se rozpadá na pozitron a neutrino.

Při beta rozpadu se kromě beta částic často tvoří i gama kvanta, takže čisté beta zářiče mají širší praktické uplatnění. Patří sem nuklidy [2] :

• vodík-3 ( tritium )
• Železo-55
• Nikl-63
• Krypton-85
• Stroncium-90
• Yttrium-90
• Ruthenium-106
• Rhodium-106
• Cerium-144
• Praseodym-144
• Promethium-147
• Thalium-204
• Plutonium-238

a další.

Strukturálně jsou zdroje beta částic kapsle obsahující radioaktivní izotop a otvor, kterým jsou částice emitovány.

Spektrum

Na rozdíl od alfa částic , jejichž spektrum má výrazné vrcholy, je spektrum beta částic spojité. To je způsobeno skutečností, že při rozpadu W-bosonu se energie rozděluje mezi dva produkty tohoto rozpadu libovolně a je možná jakákoli kombinace energií neutrin a elektronů. Maximální energie beta částice závisí na typu rozpadu a je rovna [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 pro β - a [M (A, Z ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 pro β + , kde M (A, Z) je hmotnost jádra nuklidu s pořadovým číslem Z a počet nukleonů v jádře A [3] .

Maximální energie beta částic se pohybuje od 18,6 kiloelektronvoltů ( rozpad tritia ) do 20 MeV (rozpad lithia-11)

Také energetický rozsah beta částic je posunut v důsledku působení Coulombových sil, které zpomalují elektrony a urychlují pozitrony.

Specifické energetické spektrum beta částic popisuje následující rovnice [4] :

kde γ je energie v jednotkách mc 2, tj. E/mc 2 , N (γ) dγ je podíl jader emitujících beta částice s energií γ za jednotku času, f (Z, γ) je funkce vyjadřující působení Coulombovy síly na částici, | m | 2  - druhá mocnina prvku matice určuje pravděpodobnost rozpadu, γ 0  je limitní energie rozpadu a G je nějaká konstanta.

V některých případech dochází při excitaci stavu jádra k beta rozpadu, jehož energie se pak přenáší na elektrony z elektronového obalu atomu. Tento jev se nazývá vnitřní konverze . V tomto případě má spektrum beta částic několik výrazných vrcholů [5] .

Spektrum beta částic se zkoumá pomocí beta spektrometru .

Interakce s hmotou

Průměrná délka běhu

Beta částice interagují s elektrony a jádry ve hmotě, dokud se nezastaví. Dosah beta částic závisí na jejich energii. Účinný rozsah (tloušťka vrstvy látky, která zastaví téměř všechny částice) je uveden v tabulce [6] :

K ochraně proti beta částicím ve většině případů stačí 1–2 cm silná plexištítka [7] nebo plech o tloušťce 3–5 mm.

Interakce s elektronovými obaly

Při srážkách s atomy může beta částice atom ionizovat nebo převést do excitovaného stavu. Obě události mají přibližně stejnou pravděpodobnost a takto ztracená energie se nazývá ionizační ztráta.

Průměrnou ztrátu energie elektronem při průchodu vrstvou jednoduché hmoty lze vyjádřit následujícím vzorcem, který objevil Landau [5] :

kde Δx je tloušťka vrstvy látky, ρ je hustota látky, β je rychlost elektronů v jednotkách c, Z a A jsou náboj a hmotnost prvku.

Tento vzorec by však měl být aplikován s opatrností na skutečné beta částice, protože popisuje monochromní elektronový paprsek a v jejich přirozeném paprsku vždy existují elektrony různých energií, které se budou zpomalovat různými rychlostmi.

Interakce s atomovými jádry

Při interakci s jádrem mohou být elektrony rozptýleny jednou nebo mnohokrát v Coulombově poli jádra. Charakteristickým rysem beta částic je, že vzhledem k jejich malé hmotnosti se jejich hybnost může během rozptylu výrazně měnit, což vede k brzdnému záření . Pro vysokoenergetické elektrony je takové záření významnějším kanálem ztráty energie [6] . Emitovaná gama kvanta mohou zase také vyřadit elektrony, což vede k tvorbě kaskád elektronů v hmotě. Energie beta částic, při které se ztráty zářením vyrovnávají ztrátám ionizačním, se nazývá kritická energie. V závislosti na látce se kritická energie může pohybovat od 83 MeV (vzduch) do 7 MeV (olovo) - protože energie částic produkovaných beta rozpadem zřídka přesahuje 5 MeV, není tento kanál hlavním.

Vlivem rozptylu na jádrech beta částice silně mění směr svého pohybu: průměrný úhel vychýlení beta částice je úměrný druhé odmocnině tloušťky prošlé vrstvy hmoty a při dostatečně silné vrstvě není déle lze hovořit o směru pohybu elektronů a jejich pohyb je spíše jako difúze [5] .

Čerenkovovo záření

Vzhledem k tomu, že rychlosti beta částic jsou zpravidla blízké rychlosti světla, když vstoupí do průhledného média, pohybují se v tomto médiu rychleji než světlo, což vede ke vzniku Cherenkovova záření. Takové záření je charakteristické například pro jaderné reaktory využívající vodu jako moderátor neutronů.

Zpětný rozptyl

Také když beta částice narazí na povrch nějakého materiálu, některé z nich se odrážejí pod velkými úhly (> 90°). Tento jev se nazývá zpětný rozptyl . Část částic odražená pod velkými úhly po dopadu na povrch látky se nazývá koeficient zpětného rozptylu. Tento koeficient kvalitativně závisí na atomovém čísle látky, energii dopadajících částic a tloušťce vrstvy látky následovně [5] :

1. Zvyšuje se úměrně s nábojem jádra na mocninu 2/3
2. Zvyšuje se úměrně tloušťce vrstvy látky, až se rovná přibližně 1/5 délky efektivní dráhy beta částic v této látce, načež další růst přestane ovlivňovat koeficient. Tato tloušťka se nazývá saturační tloušťka.
3. Zvyšuje se s nárůstem maximální energie beta částic až na 0,6 MeV, poté zůstává prakticky nezměněn.

Detekce beta částic

Hlavním způsobem detekce beta částic je měření ionizace, kterou vytvářejí [5] . Pro detekci částic o relativně nízkých energiích jsou nejběžnější čítače plněné plynem (jako je Geiger-Mullerův počítač ) nebo čítače v pevné fázi. K detekci elektronů vyšších energií se používají čítače, které zaznamenávají Čerenkovovo záření vytvářené rychlými částicemi.

Použití

Beta terapie

Beta částice se používají v medicíně - ozařování elektrony vznikajícími při beta rozpadu. Beta terapie je druh radiační terapie a používá se k léčbě nádorů a jiných patologických změn v tkáních. Existuje několik forem beta terapie: na postižené oblasti těla lze aplikovat radiační aplikátory nebo intrakavitárně podávat roztoky obsahující radiační izotopy [8] .

Měření tloušťky tenkých vrstev

Pomocí jevu zpětného rozptylu je možné velmi přesně určit tloušťku tenkých vrstev hmoty, např. papíru - do určité hodnoty se počet odražených elektronů zvyšuje úměrně tloušťce vrstvy hmoty. Taková měření lze také provádět měřením podílu beta částic absorbovaných látkou [9] . Pomocí zpětného rozptylu je také možné měřit tloušťku povlaku bez jeho poškození [5] .

Podsvícení

Protože beta částice při dopadu na povrch potažený fosforem způsobí záři , používají se k vytvoření velmi odolných světelných zdrojů: za tímto účelem se na povrch nanese malé množství emitujícího izotopu (například tritium ). slouží jako zdroj světla a je navíc potažený fosforem. Beta částice emitované izotopem způsobují, že povrch září desítky let. Často jsou tak zvýrazněny ručičky hodin a dalších zařízení [10] .

Účinky na tělo

Beta částice jsou dobře zadržovány oblečením, takže jsou nebezpečné především tím, že se dostanou na kůži nebo dovnitř těla. Takže po černobylské katastrofě lidé utrpěli beta popáleniny na nohou, protože chodili bosí [7] .

Hlavním faktorem vlivu beta záření na tělo je ionizace, kterou vytváří. Může vést k poruchám metabolismu v buňce a dále k její smrti. Zvláště nebezpečné je uvolňování energie beta-částic vedle molekuly DNA , což vede k potenciálně onkologicky nebezpečným mutacím [11] . V případě vysokých dávek záření může současná smrt velkého počtu buněk ve tkáních způsobit jejich patologické změny ( nemoc z ozáření ). Nejzranitelnější vůči záření jsou sliznice , krvetvorné orgány . Smrt nervových buněk je nebezpečná kvůli jejich nízké obnově.

Relativní biologická účinnost beta záření je rovna jedné (pro srovnání, u částic alfa je toto číslo 20), protože energie nesená částicí beta je relativně malá [12] .

Také gama kvanta brzdného záření vytvářená beta částicemi při pohybu v hmotě mají mnohem větší penetrační sílu, a proto mohou nést další nebezpečí [13] .

Delta a epsilon záření

Existují další typy záření, jejichž částice jsou elektrony.

Elektrony vyražené částicemi z atomů při ionizaci tvoří tzv. delta záření [14] . Částice delta (neboli delta elektrony) jsou elektrony jako částice beta, avšak jejich energie zřídka přesahuje 1 keV a spektrum se liší od spektra beta částic. Delta elektrony mohou zase vyřadit jiné elektrony, což způsobí terciární ionizaci . Elektrony vyřazené částicemi delta se nazývají částice epsilon.

Poznámky

1. ↑ Beta – Decay Archived 13. prosince 2016 na Wayback Machine  (ruština)
2. ↑ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Archivováno 25. listopadu 2016 na Wayback Machine  (ruština)
3. ↑ Beta Decay archivováno 6. ledna 2022 na Wayback Machine  (ruština)
4. ↑ Radioaktivní rozpad archivován 1. května 2021 na Wayback Machine  (ruština)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Interakce beta částic s hmotou Archivní kopie z 5. ledna 2017 na Wayback Machine  (ruština)
6. ↑ 1 2 Interakce částic s hmotou Archivováno 20. listopadu 2016 na Wayback Machine 
7. ↑ 1 2 Beta záření Archivováno 28. července 2020 na Wayback Machine  (ruština)
8. ↑ Beta terapie . Získáno 1. května 2021. Archivováno z originálu dne 6. ledna 2017. (neurčitý)
9. ↑ Beta Radiation in Thickness Control Archivováno 6. ledna 2017 na Wayback Machine 
10. ↑ Tritium: Radioactively Illuminated Clock Archived 17. listopadu 2016 na Wayback Machine  (ruština)
11. ↑ b-RADIACE, JEHO DOPAD NA LIDSKÉ ZDRAVÍ Archivní kopie z 28. listopadu 2016 na Wayback Machine  (ruština)
12. ↑ APLIKACE IZOTOPŮ V CHEMII A CHEMICKÉM PRŮMYSLU  (rus.)
13. ↑ Plynné tritiové světelné zdroje (GTLS) a plynná tritiová světelná zařízení (GTLD) Archivováno 8. října 2015 na Wayback Machine 
14. ↑ Delta ray Archivováno 10. srpna 2020 na Wayback Machine 

Literatura

• Ukrajinská sovětská encyklopedie : ve 12 svazcích = Ukrainian Radian Encyclopedia  (ukrajinsky) / Ed. M. Bazhan . - 2. pohled. - K .: Gól. vydání URE, 1974-1985.
• Malá horská encyklopedie . Ve 3 svazcích = Malá ruční encyklopedie / (V ukrajinštině). Ed. V. S. Beletsky . - Doněck: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Skvělý norský Velký Rus Britannica (online)
V bibliografických katalozích	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449