Béta részecske

A béta-részecskék ( angolul  béta particles , németül  Betateilchen , β-partikulák ) olyan elektronok és pozitronok , amelyek radioaktív béta-bomlás során kirepülnek egyes radioaktív anyagok atommagjából . A béta részecskék mozgási irányát mágneses és elektromos mezők változtatják , ami elektromos töltés jelenlétét jelzi bennük. Az elektronok sebessége eléri a fénysebesség 0,998-át . A béta részecskék ionizálják a gázokat , és számos olyan anyag lumineszcenciáját idézik elő, amelyek a fényképészeti filmekre hatnak. A béta-részecskék áramlását béta-sugárzásnak nevezzük .

A béta részecskék töltött részecskék, ezért útjuk teljes hosszán intenzív kölcsönhatásba lépnek az anyaggal. Ionizált atomok és molekulák nyomát hagyják maguk után . Amikor mágneses térben észlelik a felhőkamrákban és a buborékkamrákban , a pálya elcsavarodik, lehetővé téve a béta-részecskék azonosítását a töltés/ tömeg arányuk alapján .

Ismeretes, hogy több mint 1500 atommag bocsát ki béta-részecskéket a bomlás során [1] .

Történelem

Miután Henri Becquerel 1896-ban felfedezte a radioaktív sugárzást, megkezdődött annak aktív kutatása. Ernest Rutherford 1899-ben publikált egy tanulmányt, amelyben kimutatta, hogy többféle részecskék bocsátanak ki: nehéz, pozitív töltésű részecskék, alacsony áthatolóképességűek, úgynevezett alfa-sugárzások , és könnyű, negatív töltésű részecskék, amelyek anyagtartománya százszor nagyobb. amit béta-sugárzásnak nevezett. 1900-ban Becquerel a béta-részecskék töltésének és tömegük arányának mérésével kimutatta, hogy ezek a részecskék elektronok.

1930-ban a béta-bomlás elméletének kidolgozása során Enrico Fermi azt javasolta, hogy a béta-részecskék nem az atommagban találhatók, hanem egy neutron bomlásával keletkeznek. Fermi elmélete később a gyenge kölcsönhatás modern elméleteinek felépítésének alapja lett .

A béta részecskék típusai

A béta-bomlásnak két típusa van, és ennek megfelelően kétféle béta-részecskék képződnek:

• β - részecske - elektron . Egy neutron bomlása során keletkezik a séma szerint , ahol n neutron, p + proton , e  - elektron  ,  antineutrínó. E séma szerint mind a szabad neutronok, mind a sok neutronfeleslegű természetes izotóp elbomlik.
• β + részecske - pozitron . Egy proton bomlása során jön létre a séma szerint . E séma szerint a nehéz magok bomlanak.

Sugárforrások

Közvetlenül a béta részecskék képződnek egy virtuális töltött W - -bozon elektronná és antineutrínóvá bomlásakor. A bozon pedig a neutronban lévő d-kvark u-kvarkká és W-bozonná bomlásával jön létre . Pozitronbomlás esetén mindezek a reakciók ellentétes előjellel mennek végbe: a protonban lévő u-kvark d-kvark és W + -bozon képződésével bomlik, amely pozitronná és neutrínóvá bomlik.

A béta-bomlás során a béta-részecskék mellett gyakran gamma-kvantumok is keletkeznek, így a tiszta béta-kibocsátóknak szélesebb gyakorlati alkalmazásuk van. Ide tartoznak a nuklidok [2] :

• Hidrogén-3 ( trícium )
• Vas-55
• Nikkel-63
• Kripton-85
• Stroncium-90
• ittrium-90
• Ruténium-106
• Ródium-106
• Cérium-144
• Prazeodímium-144
• Prométhium-147
• Tallium-204
• Plutónium-238

és mások.

Szerkezetileg a béta részecskeforrások egy radioaktív izotópot tartalmazó kapszula és egy lyuk, amelyen keresztül a részecskék kibocsátódnak.

Spectrum

Ellentétben az alfa-részecskékkel , amelyek spektruma kifejezett csúcsokkal rendelkezik, a béta-részecskék spektruma folytonos. Ennek oka az a tény, hogy a W-bozon bomlása során az energia a bomlás két terméke között tetszőlegesen oszlik meg, és a neutrínó- és elektronenergiák bármilyen kombinációja lehetséges. A béta részecske maximális energiája a bomlás típusától függ, és egyenlő [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 β - és [M (A, Z) esetén ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 β + esetén, ahol M (A, Z) a Z sorszámú nuklidmag tömege és az A magban lévő nukleonok száma [3] .

A maximális béta-részecske energia 18,6 kiloelektronvolttól ( trícium -bomlás ) 20 MeV-ig (lítium-11-bomlás) terjed.

Ezenkívül a béta részecskék energiatartománya eltolódik a Coulomb-erők hatására, amelyek lassítják az elektronokat és gyorsítják a pozitronokat.

A béta-részecskék fajlagos energiaspektrumát a következő egyenlet írja le [4] :

ahol γ az energia mc 2 egységeiben , azaz E/mc 2 , N (γ) dγ az egységnyi idő alatt γ energiájú béta-részecskéket kibocsátó atommagok töredéke, f (Z, γ) egy függvény, amely kifejezi Coulomb erők a részecskékre, | m | 2  - a mátrixelem négyzete határozza meg a bomlási valószínűséget, γ 0  a korlátozó bomlási energia, G pedig valamilyen állandó.

Egyes esetekben az atommag állapotának gerjesztésével béta-bomlás következik be, amelynek energiája azután az atom elektronhéjáról elektronokba kerül. Ezt a jelenséget belső konverziónak nevezzük . Ebben az esetben a béta-részecskék spektrumának több kifejezett csúcsa van [5] .

A béta - részecskék spektrumát béta - spektrométerrel vizsgálják .

Kölcsönhatás anyaggal

Átlagos futási hossz

A béta részecskék kölcsönhatásba lépnek az anyagban lévő elektronokkal és atommagokkal, amíg meg nem állnak. A béta részecskék tartománya az energiájuktól függ. Az effektív tartomány (az anyagréteg vastagsága, amely szinte minden részecskét megáll) a [6] táblázatban látható :

A legtöbb esetben egy 1-2 cm vastag plexi szita [7] vagy egy 3-5 mm vastag fémlemez elegendő a béta-részecskék elleni védelemhez.

Kölcsönhatás elektronhéjakkal

Az atomokkal való ütközés során egy béta-részecske ionizálhat egy atomot, vagy gerjesztett állapotba hozhatja. Mindkét eseménynek megközelítőleg egyenlő a valószínűsége, és az így elveszett energiát ionizációs veszteségnek nevezzük .

Az elektron átlagos energiavesztesége, amikor áthalad egy egyszerű anyagrétegen, a következő képlettel fejezhető ki, amelyet Landau fedezett fel [5] :

ahol Δx az anyagréteg vastagsága, ρ az anyag sűrűsége, β az elektronsebesség c egységekben, Z és A az elem töltése és tömege.

Ezt a képletet azonban óvatosan kell alkalmazni a valódi béta részecskékre, mert monokróm elektronnyalábot ír le, és természetes nyalábjukban mindig vannak különböző energiájú elektronok, amelyek különböző sebességgel lassulnak.

Kölcsönhatás atommagokkal

Az atommaggal való kölcsönhatás során az elektronok egyszer vagy többször szóródhatnak az atommag Coulomb-mezőjében. A béta részecskék sajátossága, hogy kis tömegük miatt lendületük nagymértékben megváltozhat a szórás során, ami bremsstrahlunghoz vezet . A nagy energiájú elektronok számára az ilyen sugárzás jelentősebb energiaveszteség-csatorna [6] . A kibocsátott gamma-kvantumok viszont elektronokat is kiüthetnek, ami elektronkaszkádok kialakulásához vezet az anyagban. A béta-részecskék azon energiáját, amelynél a sugárzási veszteségek kiegyenlítődnek az ionizációs veszteségekkel, kritikus energiának nevezzük. A kritikus energia anyagtól függően 83 MeV-tól (levegő) 7 MeV-ig (ólom) terjedhet - így mivel a béta-bomlás során keletkező részecskék energiája ritkán haladja meg az 5 MeV-ot, nem ez a csatorna a fő.

A béta-részecskék az atommagokon történő szóródás miatt erősen megváltoztatják mozgásuk irányát: egy béta-részecske átlagos elhajlási szöge arányos az áthaladó anyagréteg vastagságának négyzetgyökével, kellően vastag réteg esetén pedig nem. hosszabb ideig lehet beszélni az elektronok mozgásának irányáról, és mozgásuk inkább diffúzióhoz hasonlít [5] .

Cserenkov-sugárzás

Mivel a béta részecskék sebessége általában közel van a fénysebességhez, amikor átlátszó közegbe kerülnek, gyorsabban mozognak, mint a fény ebben a közegben, ami Cserenkov-sugárzás megjelenéséhez vezet. Ilyen sugárzás jellemző például a vizet neutronmoderátorként használó atomreaktorokra.

Visszaszórás

Ezenkívül, amikor a béta részecskék valamilyen anyag felületéhez érnek, néhányuk nagy szögben (> 90 °) visszaverődik. Ezt a jelenséget visszaszórásnak nevezzük . A részecskéknek azt a részét, amely nagy szögben visszaverődik, miután egy anyag felületére esik, visszaszórási együtthatónak nevezzük. Ez az együttható minőségileg függ az anyag rendszámától, a beeső részecskék energiájától és az anyagréteg vastagságától, az alábbiak szerint [5] :

1. Az atommag töltésével arányosan növekszik a 2/3-os hatványra
2. Az anyagréteg vastagságával arányosan növekszik, amíg egyenlővé nem válik az ebben az anyagban lévő béta-részecskék effektív úthosszának körülbelül 1/5-ével, majd a további növekedés már nem befolyásolja az együtthatót. Ezt a vastagságot telítési vastagságnak nevezzük .
3. A béta részecskék maximális energiájának növekedésével 0,6 MeV-ig növekszik, ami után gyakorlatilag változatlan marad.

Béta részecskék kimutatása

A béta-részecskék kimutatásának fő módja az általuk létrehozott ionizáció mérése [5] . A viszonylag alacsony energiájú részecskék kimutatására a gázzal töltött számlálók (például a Geiger-Muller számláló ) vagy a szilárdtestszámlálók a legelterjedtebbek. A nagyobb energiájú elektronok kimutatására számlálókat használnak, amelyek rögzítik a gyors részecskék által létrehozott Cserenkov-sugárzást .

Használat

Béta terápia

A béta-részecskéket az orvostudományban használják - besugárzás a béta-bomlás során keletkező elektronokkal. A béta-terápia a sugárterápia egyik fajtája, és daganatok és egyéb szöveti kóros elváltozások kezelésére használják . A béta-terápiának többféle formája létezik: sugárzó applikátorok alkalmazhatók az érintett testterületekre, vagy sugárizotópokat tartalmazó oldatok adhatók be intracavitarisan [8] .

Vékony rétegek vastagságának mérése

A visszaszórás jelenségét felhasználva nagyon pontosan meg lehet határozni vékony anyagrétegek, például papír vastagságát - egy bizonyos értékig a visszavert elektronok száma az anyagréteg vastagságával arányosan növekszik. Az ilyen mérések elvégezhetők az anyag által elnyelt béta-részecskék arányának mérésével is [9] . A visszaszórás segítségével a bevonat károsodása nélkül is megmérhető a vastagsága [5] .

Háttérvilágítás

Mivel a béta-részecskék izzást okoznak, amikor egy foszforral bevont felülethez érnek, nagyon tartós fényforrások létrehozására használják őket: ehhez kis mennyiségű kibocsátó izotópot (például tríciumot ) visznek fel a felületre, amely fényforrásként szolgál, és emellett foszforral van bevonva. Az izotóp által kibocsátott béta-részecskék miatt a felület évtizedeken át világít. Így az órák és egyéb eszközök mutatóit gyakran kiemelik [10] .

Testre gyakorolt ​​hatások

A béta-részecskéket a ruházat jól visszatartja, így elsősorban akkor veszélyesek, ha a bőrre vagy a test belsejébe kerülnek. Tehát a csernobili katasztrófa után az emberek lábukon béta égési sérüléseket szenvedtek, mert mezítláb jártak [7] .

A béta-sugárzás szervezetre gyakorolt ​​hatásának fő tényezője az általa létrehozott ionizáció. Ez anyagcserezavarokhoz vezethet a sejtben, és tovább halhat. Különösen veszélyes a béta-részecske energia felszabadulása a DNS -molekula mellett, ami potenciálisan onkológiailag veszélyes mutációkhoz vezet [11] . Nagy dózisú sugárzás esetén a szövetekben nagyszámú sejt egyidejű elpusztulása okozhatja azok kóros elváltozásait ( sugárbetegség ). A sugárzásnak leginkább a nyálkahártyák , a vérképzőszervek vannak kitéve . Az idegsejtek halála veszélyes az alacsony regenerációs rátájuk miatt.

A béta-sugárzás relatív biológiai hatékonysága eggyel egyenlő (összehasonlításképpen az alfa-részecskék esetében ez az érték 20), mivel a béta-részecske által hordozott energia viszonylag kicsi [12] .

Ezenkívül az anyagban mozgó béta-részecskék által létrehozott gamma-kvantumok sokkal nagyobb áthatolóerővel rendelkeznek, és ezért további veszélyt hordozhatnak [13] .

Delta és epszilon sugárzás

Vannak más típusú sugárzások is, amelyek részecskéi elektronok.

Az ionizáció során az atomokból a részecskék által kiütött elektronok úgynevezett delta-sugárzást alkotnak [14] . A delta-részecskék (vagy delta-elektronok) olyan elektronok, mint a béta-részecskék, azonban energiájuk ritkán haladja meg az 1 keV-ot, és spektruma eltér a béta-részecskékétől. A delta-elektronok is kiüthetnek más elektronokat, ami tercier ionizációt okoz . A delta részecskék által kiütött elektronokat epszilon részecskéknek nevezzük.

Jegyzetek

1. ↑ Beta – Decay archiválva : 2016. december 13. a Wayback Machine -nél  (orosz)
2. ↑ AZ IONIZÁLÓ SUGÁRZÁS FORRÁSAI Archiválva : 2016. november 25., a Wayback Machine  (orosz)
3. ↑ Beta Decay archiválva : 2022. január 6. a Wayback Machine -nél  (orosz)
4. ↑ Radioactive Decay archiválva : 2021. május 1. a Wayback Machine -nél  (orosz)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Béta részecskék kölcsönhatása anyaggal Archív másolat 2017. január 5-én a Wayback Machine -nél  (orosz)
6. ↑ 1 2 Részecskék kölcsönhatása anyaggal Archiválva : 2016. november 20. a Wayback Machine -nél 
7. ↑ 1 2 Béta sugárzás archiválva : 2020. július 28. a Wayback Machine -nél  (orosz)
8. ↑ Béta terápia . Letöltve: 2021. május 1. Az eredetiből archiválva : 2017. január 6.. (határozatlan)
9. ↑ Beta Radiation in Thickness Control archiválva : 2017. január 6. a Wayback Machine -nél 
10. ↑ Trícium: Radioaktívan megvilágított óra archiválva : 2016. november 17. a Wayback Machine -nél  (orosz)
11. ↑ b-SUGÁRZÁS, HATÁSA AZ EMBERI EGÉSZSÉGRE 2016. november 28-i archív példány a Wayback Machine -nél  (orosz)
12. ↑ IZOTÓPOK ALKALMAZÁSA A KÉMIÁBAN ÉS A VEGYIPARBAN  (rus.)
13. ↑ Gaseous Tritium Light Sources (GTLS-ek) és Gaseous Tritium Light Devices (GTLD-k) archiválva 2015. október 8-án a Wayback Machine -nél 
14. ↑ Delta ray archiválva : 2020. augusztus 10. a Wayback Machine -nél 

Irodalom

• Ukrán Szovjet Enciklopédia : 12 kötetben = Ukrainian Radian Encyclopedia  (Ukrainian) / Szerk. M. Bazhan . - 2. nézet. - K . : Gól. URE kiadása, 1974-1985.
• Kis hegyi enciklopédia . 3 kötetben = Kis kézi enciklopédia / (ukránul). Szerk. V. S. Beletsky . - Donyeck: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy norvég Nagy norvég Nagy orosz Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449