4.2 Бета-распад

Бета-распадом называется процесс самопроизвольного превращения ядра в ядро-изобар с зарядом, отличным на Z = 1, за счет испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Период полураспада β -активных ядер изменяется от 10^–2 сек до 10¹⁶ лет. При β -распаде массовое число ядра (число нуклонов А) не изменяется, а заряд его (Z) изменяется на 1.

4.2.1. Особенности бета-распада

Существуют три вида β-распада:

β^–-распад, β⁺-распад и е-захват, т.е. захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру оболочек атома.

В процессе β^–-распада испускаются электрон и антинейтрино в результате превращения в ядре нейтрона в протон:

(4.9)

При β^–-распаде происходит изменение внутреннего состояния нуклонов ядра. При этом нейтрон распадается выше приведенным способом так же как и в свободном состоянии. Простейшим примером электронного распада (за исключением распада нейтрона) является распад трития:

(4.10)

β⁺-распад описывается аналогичным способом:

(4.11)

β⁺-распад протона возможен только для связанного в атомном ядре протона, так как свободный протон не может распадаться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино, потому что масса протона меньше массы нейтрона. Примером позитронного распада может служить распад ядра ¹¹С:

. (4.12)

Распад путем захвата электрона. В этом процессе орбитальный электрон захватывается ядром:

, (4.13)

.

При захвате электрона ядром протон превращается в нейтрон, и атомный номер нуклида уменьшается на единицу. В случае захвата орбитального электрона ядром в итоге образуются конечное ядро и нейтрино. Так как ядро имеет более значительную массу по сравнению с нейтрино, то распределение энергий между ними является однозначным – практически вся она уносится нейтрино (расчет энергии ядра отдачи при электронном захвате аналогичен расчету энергии ядра отдачи при изомерном переходе и будет рассмотрен ниже). Таким образом, спектр нейтрино при электронном захвате и при фиксированных состояниях начального и конечного ядра будет монохроматическим.

В электронном захвате участвуют, главным образом, электроны ближайших к ядру оболочек (прежде всего K-оболочки), так как для электронов K-оболочки вероятность перекрытия волновых функций электрона и ядра наибольшая. Поэтому на практике электронный захват раньше называли K-захватом. Процесс захвата электрона может сопровождаться испусканием рентгеновских квантов, так как после е-захвата электроны в атоме с более высоких орбиталей переходят на вакантные места нижних орбиталей. При этом и происходит испускание характеристического рентгеновского излучения. По наблюдению такого характеристического рентгеновского излучения и было открыто явление электронного захвата.

Часто энергия возбуждения атома не выделяется в виде рентгеновского излучения, а непосредственно передается одному или нескольким орбитальным электронам. Так как получаемая этими электронами энергия часто выше их энергии связи, то происходит вылет электронов из атома. Такие электроны называются электронами Оже, которые в отличие от -частиц, испускаемых ядрами, всегда имеют дискретные значения энергии. Энергия электронов Оже равна разности между энергией характеристического излучения и энергией связи электрона на данной орбитали.

Было замечено, что скорость радиоактивного превращения путем электронного захвата хоть и слабо, но зависит от химического состояния атомов. Объясняется это тем, что вероятность захвата электрона ядром зависит не только от строения той орбитали, на которой находится электрон, но и от строения более отдаленных, в том числе и валентных орбиталей. В частности, было показано, что скорость распада путем К-захвата ⁷Ве, входящего в состав металлического бериллия, на 0,015 % меньше, чем скорость распада этого же радионуклида в составе ВеО.

Следует иметь в виду, что β⁺-распад и электронный захват в случае исход­ных ядер одного и того же сорта приводят к одинаковым оконча­тельным состояниям. Поэтому эти два процесса часто идут одновременно, конкурируя друг с другом.