Бета-частинки: відмінності між версіями

'''Бе́та-части́нки''' ({{lang-ru|бета-частицы}}, {{lang-en|beta particles}}, {{lang-de|Betateilchen}})  — [[електрон]]и й [[позитрон]]и, які вилітають із [[атом]]них [[ядро атома|ядер]] деяких [[Радіоактивність|радіоактивних]] речовин при радіоактивному [[бета-розпад]]і. Напрям руху бета-частинок змінюється [[магнітне поле|магнітмагнітними]]ними і [[електричне поле|електричними полями]], що свідчить про наявність у них електричного заряду. Швидкості електронів досягають 0,998 [[швидкість світла|швидкості світла]]. Бета-частинки [[іон]]ізують [[газ]]и, викликають [[люмінесценція|люмінесценцілюмінесценцію]]ю багатьох речовин, діють на фотоплівки.

Бета-частинки - — заряджені частинки, а тому інтенсивно взаємодіють з речовиною на всій довжині свого пробігу. Вони залишають за собою [[трек (ядерна фізика)|трек]] [[йонізація|іонізованих]] [[атом]]ів і [[молекула|молекул]]. При детектуванні в [[камера Вільсона|камерах Вільсона]] й [[бульбашкова камера|бульбашкових камерах]] в [[магнітне поле|магнітному полі]], трек закручується, що дозволяє ідентифікувати бета-частинки за їхньою [[маса|масою]].

* β^- частинка &nbsp;— [[електрон]]. Утворюється при розпаді нейтрона за схемою <math> n \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu} </math>, де n -&nbsp;— нейтрон, p⁺ -&nbsp;— [[протон]], e⁻ -&nbsp;— електрон, <math> \bar{\nu} </math> -&nbsp;— антинейтрино. За такою схемою розпадаються як вільні нейтрони, так і багато природніхприродних ізотопів, що мають надлишок нейтронів.

* β⁺ частинка &nbsp;— [[позитрон]]. Утворюється при розпаді протона за схемою <math> p^+ \rightarrow n + e^+ + \nu </math>. За цією схемою розпадаються протононадлишкові ядра.

Безпосередньо, бета-частинки утворюються при розпаді [[віртуальна частинка|віртуального]] зарядженого W^--бозона на електрон і антинейтріноантинейтрино. Бозон, в свою чергу, утворюється при розпаді d-кварка, що знаходиться у нейтроні, на u-кварк і W^- бозон. У випадку позитронного розпаду всі ці реакції відбуваються зі зворотніми знаками: u-кварк у протоні розпадається з утворенням d-кварку і W⁺-бозона, що розпадається на позитрон і нейтрінонейтрино.

На відміну від [[Альфа-частинка|альфа-частинок]], спектр яких має вираженні піки, спектр бета-частинок є суцільним. Це пов’язанопов'язано з тим, що при розпаді [[W- і Z-бозони|W-бозону]], енергія розподіляється між двома продуктами цього розпаду довільно, і можливі будь-які комбінації енергій нейтрино і електрону. Максимальна енергія бета-частинки залежить від типу розпаду, і дорівнює [M(A, Z)-M(A, Z+1)-m_e]c² для β^--частинок і [M(A, Z)-M(A, Z-1)-m_e]c² для β⁺-частинок, де M(A, Z) &nbsp;— маса ядра нукліду з порядковим номером Z і кількістю нуклонів A.<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/008.htm Бета-распад]{{ref-ru}}</ref>

: <math>N(\gamma)d\gamma=G^2|m|^2f(Z,\gamma)(\gamma_0-\gamma)^2(\gamma^2-1)^{1/2}\gamma d\gamma</math>

Де γ &nbsp;— енергія в одиницях mc², тобто E/mc², N(γ)dγ &nbsp;— частина ядер, що випромінюють бета-частинки з енергією γ за одиницю часу, f(Z, γ) -&nbsp;— функція, що виражає дію кулонівських сил на частинку, |m|² &nbsp;— квадрат матричного елементу, що визначає ймовірність розпаду, γ₀ &nbsp;— гранична енергяенергія розпаду, а G &nbsp;— деяка константа.

У деяких випадках, бета-розпад відбувається в збуджений стан ядра, енергія якого потім передається електронам з електронної оболонки атому. Це явище називається [[внутрішня конверсія]]. В такому випадку, спектр бета-частинок має кілька яскраво вираженнихвиражених піків.<ref name="nuclab1">[http://nuclab1.phys.spbu.ru/common/3.pdf Взаимодействие бета-частиц с веществом]{{ref-ru}}</ref>

| Вода || 4,7·10^-3−3 || 0,19 || 2,6 || 19

| Алюміній || 2·10^-3−3 || 0,056 || 0,95 || 4,3

| Свинець || 5·10^-4−4 || 0,02 || 0,3 || 1,25

При зіткненнях з атомами бета-частинка може іонізувати атом, або перевести його у збуджений стан. Обидві події мають приблизно рівні ймовірності, а енергія що втрачається таким чином називається ''іонізаційними втратами''.

: <math>\Delta E=0,6\rho(Z/A)\Delta x / \beta^2</math>,

де Δx &nbsp;— товщина шару речовини, ρ &nbsp;— густина речовини, β &nbsp;— швидкість електрону у одиницях c, Z і A &nbsp;— заряд і маса елементу.

Проте, застосовувати цю формулу до реальних бета-частинок варто з обережністю, через те, що вона описує монохромний пучок електронів, а у природньомуприродному їх пучку завжди існують електрони різних енергій, які будуть гальмуватися з різною швидкістю.

При взаємодії з [[ядро атома|ядром]] електрони можуть однократно або багатократно розсіюватися у кулонівському поля ядра. Особливістю бета-частинок є те, що, через малу масу, при розсіянні їх імпульс може сильно мінятися, що призводить до [[Гальмівне випромінювання|гальмівного випромінювання]]. Для високоенергетичних електронів таке випромінювання є більш значущим каналом втрати енергії.<ref name="a11"/> Випромінені гамма-кванти можуть, в свою чергу, також вибивати електрони, що призводить до утворення каскадів електронів у речовині. Енергія бета-частинок, при якій втрати на випромінювання зрівнюються з іонізаційними втратами називається ''критичною енергією''. В залежності від речовини, критична енергія може приймати значення від 83 Мев (повітря) до 7 МеВ (свинець) &nbsp;— таким чином, оскільки енергія частинок, що утворюються при бета-розпаді, рідко перевищує 5 МеВ, цей канал не є основним.<ref name="a11"/>

Оскільки швидкості бета-частинок, зазвичай, є близькими до швидкості світла, при потраплянні в прозоре середовище вони рухаються швидше, ніж світло в цьому середовищі, що спричиняє виникнення черенковського випромінювання. Таке випромінювання характерне, наприклад, для ядерних реакторів, що використовують воду вяк якості сповільнювачасповільнювач нейтронів.

Також, при потраплянні бета-частинок на поверхню деякого матеріалу, деякі з них відбиваються на великі кути (>90°). Цей явище називається ''[[зворотнє розсіювання|зворотнім розсіюванням]]''. Доля частинок, що відбилася на великі кути після падіння на поверхню речовини називається ''коефіцієнтом зворотнього розсіювання''. Цей коефіцієнт залежить від атомного номеру речовини, енергії падаючих частинок і товщини шару речовини наступним чином:<ref name="nuclab1"/>

Основним способом детекції бета-частинок є фіксація створюваної ними іонізації. <ref name="nuclab1"/> Для детекції частинок порівняно невеликих енергій найбільш поширеними є газонаповнені лічільникилічильники з газовим підсиленням (такі як [[лічильник Гейгера-Мюллера]]) або твердотільні лічильники. Для детекції більш енергічних електронів використовуються лічільникилічильники, що фіксують [[черенковське випромінювання]], що створюється швидкими частинками.

Бета частинки використовуються в медицині &nbsp;— опромінення електронами, що утворюються при бета-розпаді. Існує кілька форм бета-терапії: випромінюючі аплікатори можуть прикладатися до уражених ділянок тіла, або ж розчини, що містять у собі випромінюючі ізотопи можуть вводитися внутрішньопорожнинно. <ref>[http://medical-enc.com.ua/beta-therapy.htm Бета-терапія]</ref> Бета-терапія є різновидом [[променева терапія|променевої терапії]], і використовується для лікування [[пухлина|пухлин]] та інших патологічних змін у тканинах.

За допомогою явища зворотнього розсіяння можна дуже точно визначати товщину тонких шарів речовини, таких як папір &nbsp;— до деякого значення, кількість відбитих електронів зростає пропорційно товщині шару речовини. Також, такі вимірювання можна проводити, замірявши долю бета-частинок, поглинутих речовиною. <ref>[http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/physics/beta-radiation-in-thickness-control.html Beta Radiation in Thickness Control]{{ref-en}}</ref> За допомогою зворотнього розсіяння можна, також, вимірювати товщину покриття, не пошкоджуючи його.<ref name="nuclab1"/>

Оскільки, бета-частинки викликають свічення при потраплянні на поверхню, вкриту [[люмінофор]]ом, вони використовуються для створення дуже довговічних джерел освітлення: для цього невелику кількість випромінюючоговипромінювального ізотопу(наприклад, [[тритій|тритію]]) наносять на поверхню, що буде служити джерелом світла, і додатково вкривають люмінофором. Бета-частинки, що випромінюються ізотопом заставляють поверхню світитися впродовж десятків років. Таким чином часто підсвічуються стрілки годинників та інших приладів.<ref>[http://www.popmech.ru/technologies/181231-tritiy-ne-lishniy/#full Тритий: часы с радиоактивной подсветкой ]{{ref-ru}}</ref>

Бета-частинки добре затримуються одягом, тому небезпеку становлять, в першу чергу, при потраплянні на шкіру або всередину організму. Так, після [[Чорнобильська катастрофа|чорнобильської катастрофи]] люди отримували бета-опіки ніг, через те, що ходили босоніж.<ref name="mrkvant"/>

Основним фактором впливу бета-випромінювання на організм є створювана ним іонізація. Вона може призвести до порушення метаболізму в клітині і в подальшому до її смерті. Особливо небезпечною є вивільнення енергії бета-частинки поруч з молекулою [[ДНК]], що призводить до потенційно онконебезпечних мутацій.<ref>[http://www.eco.nw.ru/lib/data/07/4/030407.htm b-ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА]{{ref-ru}}</ref> У випадку більших доз опромінення, одночасна загибель великої кількості клітин у тканинах може викликати їх патологічні зміни ([[променева хвороба]]). Найбільш вразливими для радіації є [[Слизова оболонка|слизові оболонки]], органи [[кровотворення]]. Загибель [[нервові клітини|нервових клітин]] є небезпечною через їх низький рівень відновлення.

Відносна біологічна ефективність бета-випромінювання дорівнює одиниці (для порівняння, для альфа-частинок цей показник рівний 20), тому що енергія, що її несе бета-частинка є відносно невеликою. <ref>[http://chem21.info/page/143004075075006212174072146202229106246003133107/ ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПОВ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ]{{ref-ru}}</ref>

Існують і інші типи випромінювання, частинками якого є електрони.

Електрони, що вибиваються частинками з атомів при іонізації, утворюють так зване [[дельта-випромінювання]].<ref>[https://www.britannica.com/science/delta-ray Delta ray]{{ref-en}}</ref> Дельта-частинки (або дельта-електрони) є такими самими електронами як і бета-частинки, проте їх енергія рідко перевищує 1 кеВ а спектр відрізняється від спектру бета-частинок. Дельта-електрони теж можуть, в свою чергу, вибивати інші електрони, спричинюючи третинну [[іонізація|іонізацію]]. Електрони, вибиті дельта-частинками, називаються епсилон-частинками.