Бета-частица

Бе́та-части́цы (англ. beta particles, нем. Betateilchen, β-частицы) — электроны и позитроны, которые вылетают из атомных ядер некоторых радиоактивных веществ при радиоактивном бета-распаде. Направление движения бета-частиц меняется магнитными и электрическими полями, что свидетельствует о наличии в них электрического заряда. Скорости электронов достигают 0,998 скорости света. Бета-частицы ионизируют газы, вызывают люминесценцию многих веществ, действующих на фотоплёнки. Поток бета-частиц называют бета-излучением.

Бета-частицы — заряженные частицы, а потому интенсивно взаимодействуют с веществом на всей длине своего пробега. Они оставляют за собой трек ионизированных атомов и молекул. При детектировании в камерах Вильсона и пузырьковых камерах в магнитном поле, трек закручивается, что позволяет идентифицировать бета-частицы по отношению заряда к их массе.

Известно более 1500 ядер, излучающие бета-частицы при распаде^[1].

После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивного излучения, началось его активное исследование. В 1899 году Эрнест Резерфорд опубликовал работу, в которой он показал, что существует несколько типов излучаемых частиц: тяжёлые, положительно заряженные частицы с малой проникающей способностью, получившие название альфа-излучения, и лёгкие, отрицательно заряженные частицы с в сто раз большим пробегом в веществе, которые он назвал бета-излучением. В 1900 году Беккерель, измерив отношение заряда бета-частиц к их массе, показал, что эти частицы являются электронами.

В 1930 году, разрабатывая теорию бета-распада, Энрико Ферми предположил, что бета-частицы не содержатся в ядре, но образуются при распаде нейтрона. Теория Ферми в дальнейшем стала основой для построения современных теорий слабого взаимодействия.

Существует два типа бета-распада, и, соответственно, два типа бета-частиц, при этом образуются:

• β ^- частица — электрон. Образуется при распаде нейтрона по схеме ${\displaystyle n\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}}$, Где n — нейтрон, p ⁺ — протон, e ^- — электрон, ${\displaystyle {\bar {\nu }}}$ — антинейтрино. По такой схеме распадаются как свободные нейтроны, так и много природных изотопов, имеющих избыток нейтронов.
• β ⁺ частица — позитрон. Образуется при распаде протона по схеме ${\displaystyle p^{+}\rightarrow n+e^{+}+\nu }$. По этой схеме распадаются тяжёлые ядра.

Непосредственно, бета-частицы образуются при распаде виртуального заряженного W^--бозона на электрон и антинейтрино. Бозон, в свою очередь, образуется при распаде d-кварка, что находится в нейтроне, на u-кварк и W ^- бозон. В случае позитронного распада все эти реакции происходят с обратными знаками: u-кварк в протоне распадается с образованием d-кварка и W⁺-бозона, что распадается на позитрон и нейтрино.

При бета-распаде часто кроме бета-частиц образуются и гамма-кванты, поэтому более широкое практическое применение имеют чистые бета-излучатели. К ним относятся нуклиды^[2]:

• Водород-3 (тритий)
• Железо-55
• Никель-63
• Криптон-85
• Стронций-90
• Иттрий-90
• Рутений-106
• Родий-106
• Церий-144
• Празеодим-144
• Прометий-147
• Таллий-204

и другие.

Конструктивно источники бета-частиц представляют собой капсулу, содержащую радиоактивный изотоп и отверстие, через которое излучаются частицы.

В отличие от альфа-частиц, спектр которых имеет выраженные пики, спектр бета-частиц является сплошным. Это связано с тем, что при распаде W-бозона, энергия распределяется между двумя продуктами этого распада произвольно, и возможны любые комбинации энергий нейтрино и электрона. Максимальная энергия бета-частицы зависит от типа распада, и равна [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m_e]c ² для β^- и [M (A, Z) -M (A, Z-1) -m_e]c ² для β⁺, где M (A, Z) — масса ядра нуклида с порядковым номером Z и количеством нуклонов в ядре A^[3].

Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад трития), до 20 МэВ (распад лития-11)

Также диапазон энергий бета-частиц смещается благодаря действию кулоновских сил, тормозящих электроны и ускоряют позитроны.

Конкретный спектр энергий бета-частиц описывается следующим уравнением^[4]:

${\displaystyle N(\gamma )d\gamma =G^{2}|m|^{2}f(Z,\gamma )(\gamma _{0}-\gamma )^{2}(\gamma ^{2}-1)^{1/2}\gamma d\gamma }$

где γ — энергия в единицах mc^2, то есть E/mc², N (γ) dγ — часть ядер, излучающие бета-частицы с энергией γ за единицу времени, f (Z, γ) — функция, выражающая действие кулоновских сил на частицу, | m |² — квадрат матричного элемента определяет вероятность распада, γ₀ — предельная энергия распада, а G — некоторая константа.

В некоторых случаях, бета-распад происходит с возбуждением состояния ядра, энергия которого затем передается электронам с электронной оболочки атома. Это явление называется внутренняя конверсия. В таком случае, спектр бета-частиц имеет несколько ярко выраженных пиков^[5].

Спектр бета-частиц исследуется с помощью бета-спектрометра.

Бета-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами в веществе до полной остановки. Пробег бета-частиц зависит от их энергии. Эффективный пробег (толщина слоя вещества, которая останавливает практически все частицы) представлен в таблице^[6]:

В большинстве случаев для защиты от бета-частиц достаточно экрана из оргстекла толщиной в 1-2 сантиметра^[7], или металлического листа толщиной 3-5 миллиметров.

При столкновениях с атомами бета-частица может ионизировать атом, или перевести его в возбуждённое состояние. Оба события имеют примерно равные вероятности, а энергия теряемая таким образом называется ионизационными потерями.

Средние потери энергии электроном при прохождении слоя простого вещества, можно выразить следующей формулой, открытой Ландау^[5]:

${\displaystyle \Delta E=0,6\rho (Z/A)\Delta x/\beta ^{2}}$ ,

где Δx — толщина слоя вещества, ρ — плотность вещества, β — скорость электрона в единицах c, Z и A — заряд и масса элемента.

Однако, применять эту формулу к реальным бета-частицам стоит с осторожностью, потому что она описывает монохромный пучок электронов, а в естественном их пучке всегда существуют электроны различных энергий, которые будут тормозиться с разной скоростью.

При взаимодействии с ядром электроны могут однократно или многократно рассеиваться в кулоновском поле ядра. Особенностью бета-частиц является то, что, из-за малой массы, при рассеянии их импульс может сильно меняться, что приводит к тормозному излучению. Для высокоэнергетических электронов такое излучение является более значимым каналом потери энергии^[6]. Излучённые гамма-кванты могут, в свою очередь, также выбивать электроны, что приводит к образованию каскадов электронов в веществе. Энергия бета-частиц, при которой потери на излучение уравниваются с ионизационными потерями называется критической энергией. В зависимости от вещества, критическая энергия может принимать значения от 83 МэВ (воздух) до 7 МэВ (свинец) — таким образом, поскольку энергия частиц, образующихся при бета-распаде, редко превышает 5 МэВ, этот канал не является основным.

Благодаря рассеянию на ядрах, бета-частицы сильно меняют направление своего движения: средний угол отклонения бета-частицы пропорционален квадратному корню из толщины пройденного слоя вещества, а при достаточно толстом слое, говорить о направлении движения электронов уже нельзя, а их перемещение больше напоминает диффузию^[5].

Поскольку скорости бета-частиц, как правило, близки к скорости света, при попадании в прозрачную среду они движутся быстрее, чем свет в этой среде, что приводит к возникновению черенковского излучения. Такое излучение характерно, например, для ядерных реакторов, использующих воду в качестве замедлителя нейтронов.

Также, при попадании бета-частиц на поверхность некоторого материала, некоторые из них отражаются на большие углы (> 90 °). Этот явление называется обратным рассеянием. Часть частиц, отразившихся на большие углы после падения на поверхность вещества называется коэффициентом обратного рассеяния. Этот коэффициент качественно зависит от атомного номера вещества, энергии падающих частиц и толщины слоя вещества следующим образом^[5]:

1. Возрастает пропорционально заряду ядра в степени 2/3
2. Возрастает пропорционально толщине слоя вещества, вплоть пока она не станет равной примерно 1/5 от эффективной длины пробега бета-частиц в этом веществе, после чего дальнейший рост перестает влиять на коэффициент. Такая толщина называется толщиной насыщения.
3. Возрастает с ростом максимальной энергии бета-частиц до значения 0,6 МэВ, после чего остается практически неизменным.

Основным способом детектирования бета-частиц является измерение создаваемой ими ионизации^[5]. Для детектирования частиц сравнительно небольших энергий наиболее распространены газонаполненные счётчики (такие как счетчик Гейгера — Мюллера) или твёрдотельные счётчики. Для детектирования электронов более высоких энергий используются счётчики, фиксирующие черенковское излучения, создаваемого быстрыми частицами.

Бета-частицы используются в медицине — облучение электронами, образующимися при бета-распаде. Бета-терапия является разновидностью лучевой терапии, и используется для лечения опухолей и других патологических изменений в тканях. Существует несколько форм бета-терапии: излучающие аппликаторы могут прикладываться к пораженным участкам тела, или же растворы, содержащие в себе излучающие изотопы могут вводиться внутриполостно^[8].

С помощью явления обратного рассеяния можно очень точно определять толщину тонких слоёв вещества, таких как бумага — до некоторого значения, количество отраженных электронов возрастает пропорционально толщине слоя вещества. Также, такие измерения можно проводить, замерив долю бета-частиц, поглощённых веществом^[9]. С помощью обратного рассеяния можно, также, измерять толщину покрытия, не повреждая его^[5].

Поскольку бета-частицы вызывают свечение при попадании на поверхность, покрытую люминофором, они используются для создания очень долговечных источников освещения: для этого небольшое количество излучающего изотопа (например, трития) наносят на поверхность, которая будет служить источником света, и дополнительно покрывают люминофором. Бета-частицы, излучаемые изотопом, заставляют поверхность светиться в течение десятков лет. Таким образом часто подсвечиваются стрелки часов и других приборов^[10].

Бета-частицы хорошо задерживаются одеждой, поэтому опасность представляют, в первую очередь, при попадании на кожу или внутрь организма. Так, после чернобыльской катастрофы люди получали бета-ожоги ног, потому что ходили босиком^[7].

Основным фактором влияния бета-излучения на организм является создаваемая им ионизация. Она может привести к нарушению метаболизма в клетке и в дальнейшем к её смерти. Особенно опасной является высвобождение энергии бета-частицы рядом с молекулой ДНК, что приводит к потенциально онкологически опасным мутациям^[11]. В случае больших доз облучения, одновременно гибель большого количества клеток в тканях может вызвать их патологические изменения (лучевая болезнь). Наиболее уязвимыми для радиации является слизистые оболочки, органы кроветворения. Гибель нервных клеток опасна из-за их низкого уровня восстановления. Внешнее облучение бета-излучением часто приводит к развитию рака кожи, чаще всего меланом.

Относительная биологическая эффективность бета-излучения равна единице (для сравнения, для альфа-частиц этот показатель равен 20), потому что энергия, которую несёт бета-частица, является относительно небольшой^[12].

Также гамма-кванты тормозного излучения, создаваемые бета-частицами при движении в веществе, имеют значительно большую проникающую способность, а потому могут нести дополнительную опасность^[13].

Существуют и другие типы излучения, частицами которого являются электроны.

Электроны, выбивающиеся частицами из атомов при ионизации, образуют так называемое дельта-излучения^[14]. Дельта-частицы (или дельта-электроны) являются электронами как и бета-частицы, однако их энергия редко превышает 1 кэВ, а спектр отличается от спектра бета-частиц. Дельта-электроны тоже могут, в свою очередь, выбивать другие электроны, вызывая третичную ионизацию. Электроны, выбитые дельта-частицами, называются эпсилон-частицами.