Cząstka beta - Beta particle

Promieniowanie alfa składa się z jąder helu i jest łatwo zatrzymywane przez kartkę papieru. Promieniowanie beta , składające się z elektronów lub pozytonów , jest zatrzymywane przez cienką płytkę aluminiową, ale promieniowanie gamma wymaga ekranowania przez gęsty materiał, taki jak ołów czy beton.

Cząstek beta , zwany również promieniowania beta albo promieniowania beta (symbol β ) jest wysokoenergetyczna, szybkie elektronów lub pozytonów emitowane przez rozpad radioaktywny wystąpienia jądra atomowego w procesie rozpadu beta . Istnieją dwie formy rozpadu beta, rozpad β − i rozpad β + , które wytwarzają odpowiednio elektrony i pozytony.

Cząstki beta o energii 0,5 MeV mają zasięg około jednego metra w powietrzu; odległość zależy od energii cząstek.

Cząstki beta są rodzajem promieniowania jonizującego i dla celów ochrony przed promieniowaniem są uważane za bardziej jonizujące niż promienie gamma , ale mniej jonizujące niż cząstki alfa . Im wyższy efekt jonizujący, tym większe uszkodzenie żywej tkanki, ale też mniejsza siła przenikania promieniowania.

Tryby rozpadu beta

β − rozpad (emisja elektronów)

Główny artykuł: β − rozpad
Rozpad beta. Cząstka beta (w tym przypadku elektron ujemny) jest emitowana przez jądro . Antyneutrino (nie pokazane) jest zawsze emitowane wraz z elektronem. Wstawka: w rozpadzie wolnego neutronu powstaje proton, elektron (ujemny promień beta) i antyneutrino elektronowe .

Niestabilny jądro atomowe z nadmiarem neutronów może ulegać β - rozkład, w którym neutronów jest przekształcany w proton , elektron i elektronów antyneutrino (The antycząstka w neutrinem )


n
 →
P
 +
mi−
 +
ν
mi

W procesie tym pośredniczy oddziaływanie słabe . Neutron zamienia się w proton poprzez emisję wirtualnego bozonu W − . Na poziomie kwarków emisja W − zamienia kwark dolny w kwark górny, zamieniając neutron (jeden kwark górny i dwa kwarki dolne) w proton (dwa kwarki górne i jeden kwark dolny). Wirtualny bozon W − rozpada się następnie na elektron i antyneutrino.

Rozpad β− występuje powszechnie wśród bogatych w neutrony produktów ubocznych rozszczepienia wytwarzanych w reaktorach jądrowych . W tym procesie rozpadają się również wolne neutrony. Oba te procesy przyczyniają się do powstania dużej ilości promieni beta i antyneutrin elektronowych wytwarzanych przez pręty paliwowe reaktorów rozszczepienia.

β + rozpad (emisja pozytonów)

Główny artykuł: Emisja pozytonów

Niestabilne jądra atomowe z nadmiarem protonów mogą ulegać rozpadowi β + , zwanemu także rozpadem pozytonów, w którym proton zamienia się w neutron, pozyton i neutrino elektronowe :


P
 →
n
 +
mi+
 +
ν
mi

Rozpad beta-plus może nastąpić wewnątrz jądra tylko wtedy, gdy wartość bezwzględna energii wiązania jądra potomnego jest większa niż jądra macierzystego, tj. jądro potomne jest w stanie o niższej energii.

Schematy rozpadu beta

Schemat rozpadu cezu-137, pokazujący, że początkowo ulega rozpadowi beta. Pik gamma 661 keV związany z 137 Cs jest w rzeczywistości emitowany przez potomny nuklid promieniotwórczy.

Załączony schemat schematu rozpadu pokazuje rozpad beta cezu-137 . 137 Cs jest odnotowany dla charakterystycznego piku gamma przy 661 KeV, ale w rzeczywistości jest on emitowany przez potomny radionuklid 137m Ba. Wykres przedstawia rodzaj i energię emitowanego promieniowania, jego względną obfitość oraz nuklidy potomne po rozpadzie.

Fosfor-32 jest emiterem beta szeroko stosowanym w medycynie i ma krótki okres półtrwania wynoszący 14,29 dni i rozpada się na siarkę-32 przez rozpad beta, jak pokazano w tym równaniu jądrowym:

32
15P
 → 32
16S1+
 +
mi−
 +
ν
mi

Podczas rozpadu uwalniane jest 1,709  MeV energii. Energia kinetyczna elektronu zmienia się średnio o około 0,5 MeV, a pozostała część energii jest przenoszona przez prawie niewykrywalne antyneutrino elektronowe . W porównaniu z innymi nuklidami emitującymi promieniowanie beta, elektron jest umiarkowanie energetyczny. Blokuje go ok. 1 m powietrza lub 5 mm szkła akrylowego .

Interakcja z inną materią

Niebieskie światło promieniowania Czerenkowa emitowane z basenu reaktora TRIGA jest spowodowane szybkimi cząstkami beta poruszającymi się szybciej niż prędkość światła ( prędkość fazowa ) w wodzie (co stanowi 75% prędkości światła w próżni).

Spośród trzech powszechnych rodzajów promieniowania emitowanego przez materiały radioaktywne, alfa , beta i gamma , beta ma średnią zdolność penetracji i średnią siłę jonizacji. Chociaż cząstki beta emitowane przez różne materiały radioaktywne różnią się energią, większość cząstek beta można zatrzymać za pomocą kilku milimetrów aluminium . Nie oznacza to jednak, że izotopy emitujące beta mogą być całkowicie osłonięte przez tak cienkie osłony: gdy zwalniają w materii, elektrony beta emitują wtórne promienie gamma, które są bardziej przenikliwe niż beta same w sobie. Ekranowanie złożone z materiałów o niższej masie atomowej generuje gamma o niższej energii, co sprawia, że ​​takie ekrany są nieco bardziej efektywne na jednostkę masy niż te wykonane z materiałów o wysokiej zawartości Z, takich jak ołów.

Ponieważ składa się z naładowanych cząstek, promieniowanie beta jest silniej jonizujące niż promieniowanie gamma. Przechodząc przez materię, cząstka beta jest hamowana przez oddziaływania elektromagnetyczne i może emitować promieniowanie rentgenowskie .

W wodzie promieniowanie beta z wielu produktów rozszczepienia jądrowego zazwyczaj przekracza prędkość światła w tym materiale (co stanowi 75% światła w próżni), a tym samym generuje niebieskie promieniowanie Czerenkowa, gdy przechodzi przez wodę. Intensywne promieniowanie beta z prętów paliwowych reaktorów basenowych można zatem wizualizować przez przezroczystą wodę, która pokrywa i osłania reaktor (patrz ilustracja po prawej).

Wykrywanie i pomiar

Promieniowanie beta wykryte w komorze izopropanolowej (po wstawieniu sztucznego źródła strontu-90)

Jonizujący lub wzbudzający wpływ cząstek beta na materię to podstawowe procesy, za pomocą których instrumenty do detekcji radiometrycznej wykrywają i mierzą promieniowanie beta. Jonizację gazu stosuje się w komorach jonizacyjnych i licznikach Geigera-Müllera , a wzbudzanie scyntylatorów stosuje się w licznikach scyntylacyjnych . Poniższa tabela przedstawia wielkości promieniowania w jednostkach SI i non-SI:

Wielkości związane z promieniowaniem jonizującym zobacz  ‧  porozmawiaj  ‧  edytuj
Ilość Jednostka Symbol Pochodzenie Rok równoważność SI
Aktywność ( A ) bekerel Bq s- 1 1974 Jednostka SI
curie Ci 3,7 × 10 10 s -1 1953 3,7 × 10 10  Bq
Rutherford R & D 10 6 s -1 1946 1 000 000 Bq
Ekspozycja ( X ) kulomb na kilogram C/kg C⋅kg- 1 powietrza 1974 Jednostka SI
Röntgen r esu / 0,001293 g powietrza 1928 2,58 × 10 -4 C/kg
Dawka pochłonięta ( D ) szary Gy J kg -1 1974 Jednostka SI
erg na gram erg/g erg⋅g -1 1950 1,0 × 10 -4 Gy
rad rad 100 erg⋅g -1 1953 0,010 Gy
Dawka równoważna ( H ) siwert Sv J⋅kg -1 × W R 1977 Jednostka SI
ekwiwalent röntgen man Rem 100 erg⋅g -1 x W R 1971 0,010 Sv
Skuteczna dawka ( E ) siwert Sv J⋅kg -1 × W R × W T 1977 Jednostka SI
ekwiwalent röntgen man Rem 100 erg⋅g -1 × W R × W T 1971 0,010 Sv
  • Szary (Gy), to jednostka SI wchłoniętej dawki , co oznacza ilość energii promieniowania zdeponowane w napromienianego materiału. Dla promieniowania beta jest on liczbowo równy równoważnej dawce mierzonej przez siwert , co wskazuje na stochastyczny biologiczny wpływ niskich poziomów promieniowania na tkankę ludzką. Współczynnik konwersji ważenia promieniowania z dawki pochłoniętej na dawkę równoważną wynosi 1 dla beta, podczas gdy cząstki alfa mają współczynnik 20, odzwierciedlając ich większy wpływ jonizujący na tkankę.
  • Rad jest przestarzała CGS jednostka dawki pochłoniętej i REM jest przestarzała CGS jednostka równoważnej dawki stosowane przede wszystkim w USA.

Aplikacje

Cząsteczki beta mogą być stosowane w leczeniu schorzeń, takich jak rak oka i kości, a także jako znaczniki. Stront-90 jest materiałem najczęściej używanym do produkcji cząstek beta.

Cząsteczki beta są również wykorzystywane w kontroli jakości do testowania grubości przedmiotu, takiego jak papier , przechodzącego przez system rolek. Część promieniowania beta jest pochłaniana podczas przechodzenia przez produkt. Jeśli produkt jest zbyt gruby lub cienki, odpowiednio różna ilość promieniowania zostanie pochłonięta. Program komputerowy monitorujący jakość wytwarzanego papieru przesunie następnie rolki, aby zmienić grubość produktu końcowego.

Urządzenie oświetleniowe zwane betalight zawiera tryt i luminofor . Gdy tryt rozpada się , emituje cząstki beta; uderzają one w luminofor, powodując, że luminofor wydziela fotony , podobnie jak kineskopy w telewizorach. Oświetlenie nie wymaga zewnętrznego zasilania i będzie trwało tak długo, jak istnieje tryt (a same luminofory nie zmieniają się chemicznie); ilość wytworzonego światła spadnie do połowy jej pierwotnej wartości w 12,32 lat, okres półtrwania trytu.

Rozpad beta-plus (lub pozytonowy ) izotopu znacznika radioaktywnego jest źródłem pozytonów wykorzystywanych w pozytonowej tomografii emisyjnej (skan PET).

Historia

Henri Becquerel , podczas eksperymentów z fluorescencją , przypadkowo odkrył , że uran naświetla kliszę fotograficzną owiniętą czarnym papierem z jakimś nieznanym promieniowaniem , którego nie można wyłączyć jak promieniowanie rentgenowskie .

Ernest Rutherford kontynuował te eksperymenty i odkrył dwa różne rodzaje promieniowania:

  • cząstki alfa, które nie pojawiły się na płytkach Becquerela, ponieważ zostały łatwo wchłonięte przez czarny papier do pakowania
  • cząstki beta, które są 100 razy bardziej penetrujące niż cząstki alfa.

Swoje wyniki opublikował w 1899 roku.

W 1900 roku Becquerel zmierzył stosunek masy do ładunku ( m / e ) dla cząstek beta metodą JJ Thomsona wykorzystaną do badania promieni katodowych i identyfikacji elektronu. Odkrył, że e / m dla cząstki beta jest takie samo jak dla elektronu Thomsona i dlatego zasugerował, że cząstka beta jest w rzeczywistości elektronem.

Zdrowie

Cząsteczki beta umiarkowanie penetrują żywą tkankę i mogą powodować spontaniczną mutację w DNA .

Źródła beta mogą być wykorzystywane w radioterapii do zabijania komórek rakowych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura