Бета ыдырау. Бета ыдырау түрлері

Бета ыдырау түсінігі үш ядролық түрленуден тұрады: электронды (β^-) ыдырау, позитронды (β⁺) ыдырау және электронды қармау. Мұндай түрлену кезінде массалық сан (А) өзгермей, реттік нөмірі (Z+1) бір бірлікке өзгереді және бета бөлшегі немесе позитрон бөлініп шығады:

_ZX^A→ _Z+1Y^A+e^-+ (5.8.1)

 

_ZX^A→ _Z-1Y^A+e⁺+ (5.8.2)

 

Сонымен қатар нейтрон протонға ыдырағанда бета бөлшегі бөлінеді:

- электронды ыдырау

немесе - позитронды ыдырау(5.8.3)

- электронды қармау орындалады.

Олай болса бета түрлену кезінде (5.8.1) формуладағы _ZX^A - ядро басқа изобаралық ядроға (ұрпақтық _Z+1Y^A) айналады.

Қазіргі көзқарас бойынша бета ыдырау қарапайым бөлшектердің нәзік әсерлесуінен туады. Ол кварктердің өзара түрленуіне сәйкес келеді. Электрондық ыдырау кезінде бір d- кварк U- кваркқа, позитрондық ыдырауда бір U- кварк d- кваркқа айналады.

Жоғарыда айтылған альфа ыдыраудағыдай бета түрленуде де кез келген өздігінен түрлену сияқты, энергияның тиімділік шарты орындалса, яғни бастапқы жүйенің массасы ақырғы жүйенің массасынан артық болса ғана өтеді.

Электрондық ыдырауды, масса бойынша қарастырсақ

 

_ZМ^А_я>_Z+1M^A + m_e (5.8.4)

 

мұндағы М_я- аналық ядро массасы, _Z+1М^A- ұрпақтық ядро массасы, m_e - электронның массасы, m_ν- нитринның массасы нөлге тең. Бұл теңсіздікті сәйкес атомдар үшін жазсақ:

 

_ZМ^А= _ZM^A +Zm_e (5.8.5)

 

_ZМ^А>_Z+1M^A(5.8.6)

деп алынады.

Позитрондық ыдырау кезінде аналық ядро

 

_ZX^A→ _Z-1Y^A+ + (5.8.7)

масса бойынша

_ZМ^А>_Z-1M^A+m_e (5.8.8)

 

немесе _ZМ^А>_Z-1M^A+2m_e (5.8.9)

 

Олай болса позитронды шығару мүмкіндігі болу үшін, атомдық масса айырмашылықтары 2m_e-ге артық болу керек, онда байланыс энергиясы

 

(5.8.10)

 

Электронды қармауда да, ядрода протондар артықшылығы орындалады. Бұл құбылыста ядроның бір протоны электронды қармап нейтронға түрленеді де р+е^-→n+νядро орнықты күйге көшеді. Электронды ядро қармағында _ZX^A+е^-→_Z-1Y^A+ν немесе _ZМ^А_я+ m_e>_Z-1M^A_я немесе _ZМ^А>_Z-1М^А, оның энергетикалық мүмкіндік шарты:

 

_ZМ^А_я+ m_e- _Z-1М^А немесе _ZМ^А- _Z-1M^A (5.8.11)

 

мұндағы -атомдағы К-электронның байланыс энергиясы (а.б.м.). ε_к-энергетикалық бірліктегі энергия.

Энергетикалық тұрғыдан К-қармау, позитрондық ыдыраудан тиімдірек болады. Сондықтан кез келген позитрондық ыдыраумен бірге К-қармау қабаттасып өтеді. Онда (5.8.9) және (5.8.11) теңдеулер бойынша

 

_Z-1М^А+2m_e>_ZМ^А>_Z-1М^А (5.8.12)

 

болып, К-қармау рұқсат етілсе, онда позитрондық ыдырау тиімсіз болады.

Мысалы: ₄Ве⁷ ядросының қармауын қарастырайық:

₄Ве⁷+е^-→₃Li⁷+

Массаның және зарядтың сақталу заңы орындалады.

Атом ядросының физикасында қызықты әрі маңызды бета ыдырау мәселесі, мынадай себептерден болады:

1) Бета ыдырау ядролық түрлену процесі (тараған процесс) болып табылады. 1965 жылдың ортасына дейін бета радиоактивті изотоптардың 1200-ден астамы белгілі болды.

2) Бета радиоактивтілікті зерттегенде әсерлесудің жаңа типтері кездеседі, ол нәзік әсерлесулер олар бета ыдырау және қарапайым бөлшектердің ыдырауында жауапты. Керісінше нуклондар, гиперондар және мезондар арасында күшті әсерлесулер болады. Осы әсерлесу нуклондар аралығындағы ядролық күшпен түсіндіріледі. Әлсіз әсерлесулер ядролық әсерлесулер мен электромагниттік әсерлесулерден де аз болады.

3) Бета электрондардың энергия спектрінің формасын зерттей отырып бета ауысу кезіндегі импульс моментінің өзгеруін және ядро жұптылығы туралы мәлімет алуға болады.

Бета ыдырау арқылы, ыдырау тұрақтысын (λ), жартылай ыдырау аралығын (Т), бета активті ядроның орташа өмір сүру уақытын (τ) анықтауға болады:

(5.8.13)

Бета ауысулар арқылы жартылай ыдырау аралығының кең интервалдағы мәндері (0,025сек ₅Ве¹²-бор; 4·10¹²жыл ₇₅Re¹⁸⁷-рений) зерттеліп анықталды.

Бета ыдырау кезінде шығарылған электрондардың энергия спектрі тұтас болады. Бета спектрдің жоғарғы шекарасындағы максималь энергиясы - ɛ₀ тұрақты, оның әрбір радиоактивті изотоптар үшін белгілі мәні болады. Кәдімгі ядродан бета бөлшегі ыдырағанда гамма-сәулесі шығады, оның энергиясы дискрет мәнге ие болады. Одан басқа атомның электрондық қабатынан электронды ішкі қабатқа шығарып конверсиялайды, ол энергияның сызықты спектрін түзеді.

 

Гамма сәулелену

Гамма-сәулелену өте жоғары энергиялы фотондар болып табылады. Гамма сәулелену деп ядролардың өздігінше гамма-сәулесін шығаруды айтамыз. Гамма-квант шығару кезінде ядро қозған күйден энергияны аз күйге көшеді. Ядро қозған күйден негізгі күйге бірден гамма квант шығарып ауысады, немесе сатылап біртіндеп бірінен кейін біріне бірнеше гаммалық квант шығару арқылы өтеді. Гамма-сәулесі қысқатолқынды (λ≤10^-10) электромагниттік сәуле болып табылады. Фотон сияқты гамма-кванттарға энергия және импульс сәйкес келеді. Гамма сәулесінің толқындық қасиеттерінен гөрі бөлшектік қасиеттері басымырақ сезіледі.

Гамма сәулесінің спектрі сызықты болады. Гамма кванттардардың энергиясы 10Кэв пен 5Мэв ( аралығында жатады. Ядролық реакция кезінде гамма-кванттық сәулелену энергиясы 20Мэв дейін жетеді.

Демек шығарылатын фотондардың энергиясы бірнеше килоэлектронвольттан бірнеше мегаэлектронвольтқа дейін өзгере алады. Тек берілген ыдырауға сәйкес келетін гамма-сәуленуді заряды болмайтындықтан, гамма ыдырау кезінде бір химиялық элементтен, екінші химиялық элементке түрленулер жүрмейді.

Ядро бір бөлшекпен серпімсіз соқтығысу кезінде, ол қозған күйге көшеді. Радиоактивтік ыдырау нәтижесінде пайда болатын ұрпақтық ядро көбіне қозған күйде пайда болады.

Гамма-квантының энергия мөлшері, ядро деңгейлерінің энергияларының айырмасымен анықталады. Гамма-сәулеленудің физикалық табиғаты кез келген электромагниттік сәулеленуге (рентгендік сәулелену көрінетін және ультракүлгін сәулеленуге т.б.) сәйкес келеді. Жұмсақ, энергиясы 10⁵-ке эвтең гамма сәулесінің сипаттаушы рентген сәулесінен өзінің шығысынан басқа ешқандай өзгешелігі болмайды. Бұл сәулелену гамма сәулесі деп аталады. Табиғи радиоактивті зерттеуде альфа және бета сәулелерінен айырмашылығы бұл электр және магнит өрістерінде ешқандай ауытқулар болмайды. Қазіргі таңда кейде квант энергиясы 100 Кэв-тан артық болса, онда "гамма-сәулесі" терминнін кез келген электромагниттік сәулелену белгісіне пайдалануға болады.

Ядроның қозған күйдегі ауысулары нәтижесінде гамма-сәулесін шығарады, оны радиациялық ауысулар деп атаймыз. Қозған ядроның ауысуын қарастырғанда, энергиясы аз күйдің өзінде гамма-кванттары шығарылады. Одан әрі қарастырғанда бұл ауысулар кванттық теория негізінде өткізіледі.

Кванттық энергия мөлшері, радиациялық көшу өтетін ядроның энергия деңгейлерінің айырмасымен анықталады. Энергия мен импульстің сақталу заңына сәйкес тыныштықтағы ядроның сәулеленуі үшін:

Е=Е_γ+Т_яд

0=Р_γ + Р_яд (5.9.1)

мұндағы Е мен Е_γ -сәйкес ядроның көшу энергиясы мен гамма -квант энергиясы, Р_γ-гамма квант импульсы, Т_яд мен Р_яд -ядроның тебілу энергиясымен импульсы. Осылардан ядроның тебілу энергиясы мынадай формуламен өрнектеледі:

 

(5.9.2)

 

бұл өте аз шама, болады. Яғни, сәулелену энергиясы тұтасымен гамма квантқа беріледі.

Егер ядроның қозу энергиясы альфа, бета немесе нуклондар шығаруға жеткілікті болса, онда ядрода осы құбылыстар өтеді де гамма-сәулесі шықпайды.

Кейде ядроның қозу энергиясы нуклондық ыдырауға немесе бас ядролық құбылысқа жеткілікті болғанның өзінде де гамма-сәулелену басымдау болуы мүмкін.