Бета-распад и электронный захват

Бета-распад (β-распад) представляет собой один из основных видов радиоактивного распада, при котором происходит преобразование нейтрона в протон или протона в нейтрон с испусканием бета-частицы и антинейтрино или нейтрино. Этот процесс обеспечивает переход нуклида в более стабильное состояние с изменением зарядового числа атомного ядра при сохранении числа нуклонов. Бета-распад делится на два основных типа:

1. Бета-минус (β⁻) распад В ходе β⁻-распада нейтрон в ядре превращается в протон с испусканием электрона (β⁻-частицы) и антинейтрино: [ n p + e^- + {}_e] Этот процесс увеличивает зарядовое число Z на единицу, не изменяя массовое число A. Пример β⁻-распада: [ {}^{14}_6C ^{14}_7N + e^- + {}_e] Бета-минус распад характерен для нейтронно-избыточных нуклидов, которые стремятся уменьшить избыток нейтронов и достичь более стабильного соотношения нейтронов и протонов.

2. Бета-плюс (β⁺) распад или позитронный распад При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона (e⁺) и нейтрино: [ p n + e^+ + _e] Этот процесс уменьшает зарядовое число Z на единицу при неизменном массовом числе A. Пример: [ {}^{11}_6C ^{11}_5B + e^+ + _e] β⁺-распад наблюдается в протонно-избыточных нуклидах, где избыток протонов делает ядро нестабильным.

Энергетические аспекты бета-распада Энергия, выделяющаяся при бета-распаде, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Энергия β-частицы носит непрерывный спектр, что объясняется делением энергии с нейтрино. Минимальная энергия, необходимая для β⁺-распада, определяется массой позитрона и энергетическим балансом реакции.

Электронный захват (EC, electron capture) Электронный захват является альтернативным процессом для протонно-избыточных ядер. В этом случае один из электронов внутренней оболочки (обычно K-оболочки) захватывается протоном ядра, превращая его в нейтрон и испуская электронное нейтрино: [ p + e^- n + _e] Электронный захват приводит к уменьшению зарядового числа на единицу без изменения массового числа. Ядра, для которых β⁺-распад энергетически запрещён (масса дочернего нуклида меньше массы исходного на величину, меньшую чем масса позитрона), часто распадаются через электронный захват.

Сравнение β⁺-распада и электронного захвата

• Оба процесса уменьшают Z на единицу.
• β⁺-распад требует энергии, превышающей 2mₑc² (~1,022 МэВ) для образования позитрона.
• Электронный захват возможен при меньшей энергии и часто конкурирует с β⁺-распадом.
• В результате EC наблюдается характерное рентгеновское или аугеровское излучение, возникающее при заполнении вакантного места на внутренней электронной оболочке.

Зависимость вероятности распада от ядерных характеристик Скорость β-распада и электронного захвата определяется энергетическим разрывом между исходным и дочерним состоянием, спином и паритетом уровней, а также электронным облаком ядра (для EC). Закон обратной экспоненты описывает вероятность распада: [ N(t) = N_0 e^{-t}] где λ — константа распада, зависящая от типа β-перехода и характеристик ядра.

Применение β-распада и электронного захвата

• Радионуклидная диагностика в медицине (ПЭТ-сканирование с β⁺-излучателями).
• Изотопные источники энергии и датчики (β⁻-излучающие нуклиды).
• Изучение ядерной структуры через спектроскопию β-распада.
• Определение возраста объектов методом радиоуглеродного анализа (β⁻-распад ¹⁴C).

Закономерности и энергетические спектры Спектр β-частиц непрерывен, что отличает β-распад от α-распада с дискретной энергией. Форма спектра определяется фазовым пространством частиц и взаимодействием с ядром. Электронный захват сопровождается излучением характерных рентгеновских линий, что позволяет идентифицировать переходы и оценивать вероятность EC.

Ключевые моменты:

• β⁻: нейтрон → протон + e⁻ + антинейтрино, Z↑, A=const.
• β⁺: протон → нейтрон + e⁺ + нейтрино, Z↓, A=const, требует энергии >1,022 МэВ.
• Электронный захват: протон + e⁻ → нейтрон + нейтрино, Z↓, A=const, сопровождается рентгеновским излучением.
• Вероятность распада зависит от энергетических условий и структуры ядра.
• Практическое применение охватывает медицину, науку о материалах и датировку веществ.

Бета-распад и электронный захват представляют собой фундаментальные процессы трансформации нуклидов, обеспечивающие переход атомных ядер к устойчивым конфигурациям и определяющие радиохимические свойства элементов.