Beta čestica

Beta-zraci ili β zračenje je ionizirajuće zračenje koje se javlja tokom radioaktivnog beta raspada. Radioaktivni nuklid koji emitira beta zračenje naziva se beta-emiter. Kod mnogo češćeg β⁻ zračenja (beta minus), ovo zračenje se sastoji iz elektrona, dok se kod mnogo rjeđeg β⁺ zračenja (beta plus) sastoji iz pozitrona. Pri tome se radionuklid pretvara u izotop sljedećeg većeg (kod β⁻) ili sljedećeg nižeg (kod β⁺) elementa (beta prijelaz).

β⁻ raspad

Naziv beta potječe od prve klasifikacije ionizirajućeg zračenja radioaktivnog raspada, koja dijeli alfa, beta i gama zračenje, koje u tom redu iskazuju povećanje svoje prodorne moći prolaska kroz materiju.

Kinetička energija emitiranih beta čestica se kontinuirano distribuira od nule do maksimalne vrijednosti karakteristične za odgovarajući beta prijelaz. To je moguće iz razloga što energije i impulsi tri čestice (beta čestice, koje se također generiraju: neutrino i kćerka jezgro) zavise od uglova između proizvoda raspada. Tipična maksimalna energija beta raspada reda je veličine stotine kiloelektronvolti (keV) do nekoliko megaelektronvolti (MeV).

Nastanak

Beta raspad atomskih jezgara

Beta raspad je vrsta radioaktivnog raspada atomskih jezgara. Kao rezultat procesa raspada, jezgro se pretvara u izobarično jezgro susjednog elementa dok se istovremeno stvaraju dva leptona koji napuštaju atomsko jezgro. Kod beta-minus raspada (β⁻) leptoni su elektron i antineutrino, dok se kod beta-plus raspada (β⁺) radi o pozitronu i neutrinu. Energija veze koja se oslobađa nuklearnom transformacijom, obično u MeV rasponu, javlja se kao kinetička energija tri konačne čestice. Zbog održanja energije i momenta, dva leptona dobijaju daleko veći dio energije. Supsidijarnom jezgru (kćerki) preostaje samo mali dio energije od nekoliko eV.

U ranim danima nuklearne fizike, proučavanje beta-elektrona privremeno je dovelo do pogrešnog zaključka da su elektroni osnovni dijelovi atomskog jezgra. Međutim, prema današnjim saznanjima, dvije emitirane čestice nastaju tek u trenutku nuklearne transformacije: W-bozon posreduje slabom interakcijom i, kod β⁻ raspada, uzrokuje pretvaranje d-kvarka, prisutnog u neutronu, u u-kvark i time pretvaranje neutrona u proton. Kod β⁺ raspada je suprotan slučaj, gdje u-kvark sadržan u protonu pretvara se u d-kvark pa iz protona nastaje neutron. Transformirani kvark zadržava svoju ulogu kao dio transformiranog jezgra, dok dva nastala leptona napuštaju jezgro. Činjenicu da su beta-minus zrake zapravo isti tip čestica kao i elektroni u atomskom omotaču odražava se u njihovoj interakciji sa materijom. Paulijev princip koji vrijedi samo za identične čestice, sprječava da elektron bude zarobljen u već zauzetim stanjima nekog neutralnog atoma nakon usporavanja. Zapravo, kod beta-minus zraka ovo hvatanje nikad nije ni zabilježeno, dok se kod drugih negativno naelektrisanih čestica, kao što su mioni, ovo hvatanje nije zabranjeno i naučno je potvrđeno.

Beta-minus raspad (β⁻)

Nuklidi sa prekomjernim brojem neutrona raspadaju se u procesu β⁻ raspada. Neutron iz jezgra pretvara se u proton i pri tome otpušta elektron ($\mathrm {e} ^{-}$) kao i jedan antineutrino (${\overline {\nu }}_{e}$). Elektron i antineutrino napuštaju atomsko jegro, a pošto su oni leptoni, na njih ne djeluje jaka nuklearna sila. Nakon procesa raspada u jezgru se nalazi jedan neutron manje i jedan proton više, pa maseni broj $A$ ostaje nepromijenjen, dok se atomski (protonski) broj $Z$ povećava za jedan. Tako polazni element prelazi u element koji ima atomski broj veći za jedan i nalazi se desno od polaznog elementa u periodnom sistemu elemenata.

Ako se označi maseni broj $A$ iznad a naboj jezgra $Z$ ispod simbola, kako je u hemiji uobičajeno, raspad neutrona se može napisati sljedećom formulom:

${}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{1}^{1}\mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Ako se sa X označi majka-nuklid (polazni) a sa Y kćerka-nuklid (proizvod), tako se općenito za β⁻-raspad može napisati:

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z+1}^{A}\mathrm {Y} +\mathrm {e} ^{-}\mathrm {+} {\overline {\nu }}_{e}$

Tipični β⁻-emiter je nuklid ¹⁹⁸Au. Njegov raspad može se napisati na sljedeći način:

${}_{\ 79}^{198}\mathrm {Au} \to {}_{\ 80}^{198}\mathrm {Hg} +\mathrm {e} ^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

Vrlo visoka energija nastalih elektrona sprječava njihov neposredni prijelaz na neko od gornjih slobodnih stanja istog atoma. Međutim, naročito kod nekih teških iona sa visokim nabojem može doći do takvog direktnog prijelaza u neko od vezanih stanja, pa se takav proces naziva i vezani beta-raspad.

Beta-plus raspad (β⁺)

Raspad β⁺ javlja se kod nuklida bogatih protonima. Pri tome se proton iz jezgra pretvara u neutron. Istovremeno zajedno sa pozitronom (pozitronsko zračenje) nastaje i par elektron-neutrino. Kao i kod β⁻ raspada maseni broj ostaje nepromijenjen, a atomski broj se smanjuje za jedan te tako polazni element prelazi u svog "prethodnika" iz periodnog sistema elemenata.

Formula pretvaranja protona u neutron glasi:

${}_{1}^{1}\mathrm {p} \to {}_{0}^{1}\mathrm {n} +\mathrm {e} ^{+}+\nu _{e}$

Sa istim oznakama kao i prethodna formula, β⁺ raspad se može općenito napisati kao:

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} +\mathrm {e} ^{+}+\nu _{e}$

Najčešći primordijalni nuklid kod kojeg se, između ostalog, javlja β⁺ raspad jeste kalij-40 (⁴⁰K), mada se raspad javlja izuzetno rijetko. Tako formula raspada ovog nuklida glasi:

${}_{19}^{40}\mathrm {K} \to {}_{18}^{40}\mathrm {Ar} +\mathrm {e} ^{+}+\nu _{e}$

Elektronski zahvat

"Konkurentni" proces β⁺ raspadu jeste zahvat elektrona, koji se također ubraja u beta raspade, iako njime ne nastaje beta zračenje. U toj vrsti raspada, jedan proton iz jezgra pretvara se u neutron, dok se jedan elektron iz elektronske ljuske najbliže atomskom jezgru apsorbira, a nastaje neutrino koji se emitira:

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} +\mathrm {e} ^{-}\to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} \mathrm {+} \nu _{e}$

Ovaj proces se javlja kod svakog β⁺ emitera kao naknadni lanac raspada. Kao samostalni lanac raspada javlja se kada je energija pretvaranja prijelaza ${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y}$ manja od energije mirovanja pozitrona (511 keV). Također i proces zahvata elektrona dokazuje da su beta elektroni i elektroni koji se nalaze u atomskoj ljusci identične vrste čestica.

Raspad slobodnih neutrona

I slobodni neutroni se raspadaju beta-minus raspadom. Pri tome jedan proton se pretvara u jedan elektron-antineutrino i elektron, što se može dokazati u beta zračenjem:

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }$

Životni vijek za ove raspade iznosi 880,3 ± 1,1 sekundi, što je približno 15 minuta. To odgovara vremenu poluraspada od oko 10 minuta. Pri normalnim uslovima na Zemlji (npr. u zraku) svaki slobodni neutron koji nastane već nakon kraćeg vremena uhvati neko atomsko jezgro, tako da ovaj način raspada u praksi ne igra neku praktičnu ulogu.

Energetski spektar

Raspodjela energije beta zračenja (beta-spektar), za razliku od alfa-zračenja, je kontinuirana, pošto se pri raspadu oslobođena energije ne raspodjeljuje na dvije nego na tri čestice: atomsko jezgro, par elektron/pozitron te par antineutrino/neutrino. Prema zakonu očuvanja količine kretanja energije pojedinačnih čestica nisu nepromijenjive, tj nisu fiksirane.

Spektar elektrona tokom beta raspada izotopa ²¹⁰Bi: Na x osu naznačen je broj elektron po energetskom intervalu (u proizvoljnim jedinicama) kao funkcija kinetičke energije, koja prati elektron pri izlazu iz atoma. Zbog električnog privlačenja ona je nešto manja od energije koju bi elektron imao kada bi jezgro bilo nenaelektrisano (Coulombov pomak).

Na slici desno prikazan je jednostavni spektar elektrona dobijen eksperimentalnim mjerenjem. Složeniji spektri javljaju se kada se beta-prelazi preklapaju sa različitim nivoima energije kćerke jezgre.

Primjeri najviših energija pri beta raspadu

Izotop	Energie (keV)	Raspad	Napomena
slobodni neutron	0782,33	β−
003H (tricij)	0018,59	β−	Druga najniža poznata energija, planirana za primjenu u eksperimentu KATRIN.
011C	0960,4 1982,4	β+ ε+
014C	0156,475	β−
020F	5390,86	β−
037K	5125,48 6147,48	β+ ε+
187Re	0002,467	β−	Najniža poznata energija, planirana za primjenu u eksperimentu MARE
210Bi	1162,2	β−

Napomena:
U brojnoj literaturi i radovima, često su tabelarno prikazane sveukupne prijelazne energije u osnovnom stanju nuklida kćerki. One sadrže i energije mirovanja i energije naknadnog gama zračenja para elektron-pozitron.