Beta částice - Beta particle

Alfa záření se skládá z jader helia a je snadno zastaveno listem papíru. Beta záření , skládající se z elektronů nebo pozitronů , je zastaveno tenkou hliníkovou deskou, ale záření gama vyžaduje stínění hustým materiálem, jako je olovo nebo beton.

Beta částice , také volal beta záření nebo beta-záření (symbol β ), je vysoce energetické, vysokorychlostní elektronů nebo pozitronová emitované radioaktivním rozpadem po dosažení atomového jádra v průběhu procesu beta rozpadu . Existují dvě formy beta rozpadu, β - rozpad a β + rozpad, které produkují elektrony a pozitrony.

Částice beta s energií 0,5 MeV mají ve vzduchu dosah asi jeden metr; vzdálenost závisí na energii částic.

Beta částice jsou typem ionizujícího záření a pro účely radiační ochrany jsou považovány za ionizující více než paprsky gama , ale méně ionizující než částice alfa . Čím vyšší je ionizační účinek, tím větší je poškození živé tkáně, ale také nižší pronikající síla záření.

Režimy rozpadu beta

β - rozpad (emise elektronů)

Beta rozpad. Je ukázáno, že částice beta (v tomto případě negativní elektron) je emitována jádrem . Antineutrino (není zobrazeno) je vždy emitováno spolu s elektronem. Vložit: při rozpadu volného neutronu vzniká proton, elektron (negativní beta paprsek) a elektronové antineutrino .

Nestabilní atomové jádro s přebytkem neutronů se může podrobit β - rozklad, kde je neutron přeměněn na proton , elektron, a elektronové antineutrino (dále antičástice z neutrina ):


n

p
+
E-
+
ν
E

Tento proces je zprostředkován slabou interakcí . Neutron se přeměňuje na proton emisí virtuálního W - bosonu . Na úrovni kvarku W - emise mění kvark down na kvark up, přičemž neutron (jeden kvark up a dva down quarks) mění na proton (dva kvarky up a jeden down quark). Virtuální W - boson se poté rozpadne na elektron a antineutrino.

K rozpadu β− obvykle dochází mezi vedlejšími produkty štěpení bohatými na neutrony produkovanými v jaderných reaktorech . Tímto procesem se také rozpadají volné neutrony. Oba tyto procesy přispívají k velkému množství beta paprsků a elektronových antineutrin produkovaných palivovými tyčemi štěpného reaktoru.

β + rozpad (emise pozitronů)

Nestabilní atomová jádra s nadbytkem protonů mohou podléhat rozpadu β + , nazývaného také rozpad pozitronu, kde je proton přeměněn na neutron, pozitron a elektronové neutrino :


p

n
+
E+
+
ν
E

K rozpadu beta-plus může dojít pouze v jádrech, když je absolutní hodnota vazebné energie dceřiného jádra větší než rodičovského jádra, tj. Dceřiné jádro je stav s nižší energií.

Schémata rozpadu beta

Schéma rozpadu Cesium-137, což ukazuje, že zpočátku podléhá beta rozpadu. Pík gama 661 keV spojený se 137 Cs je ve skutečnosti emitován dceřiným radionuklidem.

Doprovodný diagram schématu rozpadu ukazuje beta rozpad cesia-137 . 137 Cs se vyznačuje charakteristickým vrcholem gama při 661 KeV, ale ve skutečnosti je emitován dceřiným radionuklidem 137 m Ba. Diagram ukazuje typ a energii emitovaného záření, jeho relativní hojnost a dceřiné nuklidy po rozpadu.

Fosfor-32 je beta zářič široce používaný v medicíně a má krátký poločas rozpadu 14,29 dne a rozpadá se na síru-32 rozpadem beta, jak ukazuje tato jaderná rovnice:

32
15
P
32
16
S1+
+
E-
+
ν
E

Během rozpadu se uvolní 1,709  MeV energie. Kinetická energie elektronu se mění v průměru přibližně o 0,5 MeV a zbývající energii nese téměř nezjistitelné elektronové antineutrino . Ve srovnání s jinými nuklidy emitujícími beta záření je elektron mírně energetický. Je blokováno přibližně 1 m vzduchu nebo 5 mm akrylového skla .

Interakce s jinou hmotou

Modré světlo Čerenkovova záření vyzařované z bazénu reaktoru TRIGA je způsobeno vysokorychlostními částicemi beta cestujícími rychleji než je rychlost světla ( fázová rychlost ) ve vodě (což je 75% rychlosti světla ve vakuu).

Ze tří běžných typů záření vydávaných radioaktivními materiály, alfa , beta a gama , má beta střední penetrační sílu a střední ionizační sílu. Přestože se částice beta uvolňované různými radioaktivními materiály liší energií, většinu částic beta lze zastavit několika milimetry hliníku . To však neznamená, že izotopy emitující beta mohou být zcela stíněny tak tenkými štíty: protože ve hmotě zpomalují, beta elektrony vyzařují sekundární gama paprsky, které jsou pronikavější než samotné beta. Stínění složené z materiálů s nižší atomovou hmotností generuje gama s nižší energií, díky čemuž jsou tyto štíty na jednotku hmotnosti o něco účinnější než štíty vyrobené z materiálů s vysokým Z, jako je olovo.

Beta záření, které je složeno z nabitých částic, je silněji ionizující než záření gama. Při průchodu hmotou je beta částice zpomalena elektromagnetickými interakcemi a může vydávat paprsky bremsstrahlung .

Ve vodě beta záření z mnoha produktů jaderného štěpení obvykle překračuje rychlost světla v tomto materiálu (což je 75% rychlosti světla ve vakuu), a tak při průchodu vodou vytváří modré Čerenkovovo záření . Intenzivní beta záření z palivových tyčí bazénových reaktorů lze tedy vizualizovat prostřednictvím průhledné vody, která reaktor kryje a chrání (viz obrázek vpravo).

Detekce a měření

Beta záření detekované v izopropanolové oblačné komoře (po vložení umělého zdroje stroncia-90)

Ionizační nebo excitační účinky beta částic na hmotu jsou základními procesy, kterými radiometrické detekční přístroje detekují a měří beta záření. Ionizace plynu se používá v iontových komorách a Geiger-Müllerových čítačích a excitace scintilátorů se používá ve scintilačních čítačích . Následující tabulka ukazuje množství záření v jednotkách SI a mimo SI:

Veličiny související s ionizujícím zářením zobrazit   diskuse   upravit
Množství Jednotka Symbol Derivace Rok SI ekvivalence
Aktivita ( A ) becquerel Bq s −1 1974 Jednotka SI
curie Ci 3,7 × 10 10 s −1 1953 3,7 × 10 10  Bq
rutherford Rd 10 6 s −1 1946 1 000 000 Bq
Expozice ( X ) coulomb za kilogram C/kg C⋅kg −1 vzduchu 1974 Jednotka SI
röntgen R. esu / 0,001293 g vzduchu 1928 2,58 × 10 −4 C/kg
Absorbovaná dávka ( D ) šedá Gy J ⋅ kg −1 1974 Jednotka 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
Ekvivalentní dávka ( H ) sievert Sv J⋅kg −1 × W R 1977 Jednotka SI
röntgen ekvivalentní muž rem 100 erg⋅g −1 x W R 1971 0,010 Sv
Efektivní dávka ( E ) sievert Sv J⋅kg −1 × W R × W T 1977 Jednotka SI
röntgen ekvivalentní muž rem 100 erg⋅g −1 × W R × W T 1971 0,010 Sv
  • Šedý (Gy), je jednotka Sie absorbované dávky , což je množství energie záření uložen v ozářeného materiálu. Pro záření beta je to číselně rovnocenné dávce naměřené sievertem , což ukazuje na stochastický biologický účinek nízkých úrovní záření na lidskou tkáň. Konverzní faktor vážící záření z absorbované dávky na ekvivalentní dávku je 1 pro beta, zatímco částice alfa mají faktor 20, což odráží jejich větší ionizační účinek na tkáň.
  • Rad je zastaralá CGS jednotka pro absorbované dávky a rem je zastaralé CGS jednotka ekvivalentní dávky, který se používá zejména v USA.

Aplikace

Beta částice mohou být použity k léčbě zdravotních stavů, jako je rakovina očí a kostí, a také se používají jako indikátory. Stroncium-90 je materiál, který se nejčastěji používá k výrobě částic beta.

Částice beta se také používají při kontrole kvality k testování tloušťky položky, jako je papír , procházející systémem válečků. Část beta záření je absorbována při průchodu produktem. Pokud je výrobek příliš silný nebo tenký, bude absorbováno odpovídajícím způsobem jiné množství záření. Počítačový program monitorující kvalitu vyrobeného papíru poté přesune válečky, aby změnil tloušťku konečného produktu.

Osvětlovací zařízení zvané betalight obsahuje tritium a fosfor . Jak se tritium rozkládá , emituje částice beta; tyto dopadají na luminofor, což způsobuje, že luminofor vydává fotony , podobně jako katodová trubice v televizi. Osvětlení nevyžaduje žádnou vnější energii a bude pokračovat, dokud bude existovat tritium (a luminofory se samy chemicky nemění); množství světla produkoval klesne na polovinu původní hodnoty v 12,32 letech se poločas rozpadu tritia.

Beta-plus (nebo pozitronový ) rozpad izotopu radioaktivního stopovače je zdrojem pozitronů používaných v pozitronové emisní tomografii (PET sken).

Dějiny

Henri Becquerel při experimentech s fluorescencí náhodou zjistil, že uran vystavil fotografickou desku zabalenou do černého papíru nějakému neznámému záření, které nebylo možné vypnout jako rentgenové záření .

Ernest Rutherford pokračoval v těchto experimentech a objevil dva různé druhy záření:

  • částice alfa, které se neobjevily na deskách Becquerel, protože je černý absorpční papír snadno absorboval
  • beta částice, které jsou 100krát pronikavější než alfa částice.

Své výsledky publikoval v roce 1899.

V roce 1900 změřil Becquerel poměr částic k náboji ( m / e ) u beta částic metodou JJ Thomsona, která byla použita ke studiu katodových paprsků a identifikaci elektronu. Zjistil, že e / m pro beta částici je stejný jako pro Thomsonův elektron, a proto navrhl, že beta částice je ve skutečnosti elektron.

Zdraví

Částice beta jsou mírně proniká v živé tkáni, a může způsobit spontánní mutace v DNA .

Zdroje beta mohou být použity v radiační terapii k zabíjení rakovinných buněk.

Viz také

Reference

Další čtení