Бета-распад

БЕТА-РАСПАД (β-распад) ядер, радио­активный распад основных или возбуж­дённых состояний ядер, при котором происходит рождение электрона е^- и электронного антинейтрино ?v?_e (электронный бета-распад, β^--распад) или позитрона е⁺ и электронного нейтрино v_e (позитронный бета-распад, β⁺-распад). При этом заряд распадающегося ядра изменяется на одну элементарную единицу заряда (увеличи­вается при электронном распаде и умень­шается при позитронном распаде):

Здесь А - массовое число, Z - заряд яд­ра, N - число нейтронов. Электрон или позитрон, испускаемый при бета-распаде, назы­вается бета-частицей.

Процесс бета-распада является наиболее рас­пространённым видом радиоактивности и имеет место во всех областях масс ядер - от лёгких (³Н) до тяжёлых (например, ²⁶¹No).

Бета-распад ядер, называвшийся первоначаль­но процессом «испускания бета-лучей», открыт А. Беккерелем в 1896 году в цепоч­ке радиоактивных превращений урана. В 1899 году установлено, что «бета-лучи» со­стоят из быстрых электронов и в магнит­ном поле отделяются от других видов радио­активных излучений. В 1930 году В. Паули предположил, что в бета-распаде одновременно с электроном рождается очень лёгкая нейтральная частица - нейтрино.

Теория бета-распада. Теоретическое опи­сание бета-распада ядер было развито Э. Ферми (1933), который ввёл важнейшую характеристику - фермиевскую констан­ту взаимодействия G_F, через которую определяется абсолютная величина вре­мени жизни ядер по отношению к бета-распаду. Одновременно Э. Ферми вычислил фор­му бета-спектра электронов распада в простейшем случае разрешённых бета-переходов (т. н. фермиевская форма бе­та-спектра).

В 1956 году было обнаружено, что при бета-распаде происходит нарушение закона сохране­ния квантового числа чётности (Цзундао Ли, Чжэньнин Янг), и вскоре было уста­новлено, что в бета-распаде дают вклад два ва­рианта слабого взаимодействия: вектор­ный, по своей структуре аналогичный электромагнитному взаимодействию, и аксиально-векторный, отличающийся от векторного изменением чётности.

Полное описание процессов бета-распада да­ётся стандартной моделью электрослабого взаимодействия, в рамках которой механизм бета-распада во многом напоминает механизм электромагнитного взаимодей­ствия нуклонов с электронами, при ко­тором ядерный нуклон испускает вир­туальный гамма-квант нулевой массы, поглощаемый затем электроном. Анало­гично этому в процессе ядерного бета-распада один из кварков, входящих в состав нуклона ядра (нейтрона или протона), виртуально испускает тяжёлый заря­женный W-бозон (с массой около 82 ГэВ), который распадается затем на пару элек­трон-антинейтрино (электронный рас­пад) или позитрон-нейтрино (позитронный распад):

­

Константа слабого взаимодействия, определяющая характеристики бета-распада, - константа Ферми - имеет величину G_F = (1,4173 ±0,0011)? 10^-62 Дж?м³ и в рам­ках стандартной модели оказывается свя­занной с константой электромагнитного взаимодействия и массой W-бозона.

Характеристики бета-распадов. Основными экспериментальными характеристиками бета-распада яв­ляются: период полураспада Т_1/2 (или время жизни τ = Т_1/2/ln2) и энергетический спектр электронов (позитронов) распа­да. Период полураспада стандартно за­даётся величиной fТ_1/2, где f — т.н. фермиевская функция, учитывающая влияние кулоновского поля ядра в про­цессе вылета электрона (позитрона) и за­висящая от заряда ядра, энергии элек­трона (позитрона) и квантовых характе­ристик ядра. Её значения табулируются.

В отличие от альфа- и гамма-излучений энергетический спектр электронов (позитро­нов) бета-распада является непрерывным: он на­чинается от нуля и продолжается до верх­ней границы, которая по закону сохране­ния энергии равна разности полных энер­гий начального и конечного ядер (минус энергии покоя электрона и нейтрино).

Классификация бета-переходов. В со­ответствии с правилами отбора бета-пе­реходов, задающими изменение кванто­вых чисел полного момента J ядра и его чётности π при переходе из начального состояния ядра в конечное, процессы бета-распада разделяются на фермиевские (учи­тывающие вклад от фермиевской части взаимодействия), гамов-теллеровские (от аксиально-векторной части взаимодей­ствия) и смешанного типа. Кроме того, они дополнительно классифицируются по степени запрещённости, при этом различают бета-переходы:

Сверхразрешённые

чётность не меняется, lg/T_1/2≤3,6]; разрешённые (ΔJ = 0, 1, чётность не ме­няется, lgfT_1/2 ≥ 4—6); запрещённые 1-го запрета (ΔJ = 0, 1, 2, чётность меняется, lgfT_1/2≈6-9); запрещённые 2-го запрета (ΔJ = 1, 2, 3, чётность не меняется, lgfT_1/2≈ 9-13) и т. д.

Важным примером бета-переходов яв­ляются сверхразрешённые бета-переходы 0⁺ → 0⁺, зависящие только от фермиевского типа взаимодействия, изучение ко­торых позволяет с большой точностью измерять фермиевскую константу G_F.

Бета-спектроскопия. Спектры сверхразрешённых и разрешённых бета-переходов имеют универсальную фермиевскую форму; форма спектра для остальных переходов зависит от степени запрещён­ности. В разрешённых бета-переходах передачи орбитального момента от нук­лонов к лептонам не происходит, в слу­чае запрещённых переходов передаётся орбитальный момент L = 1, 2,..., который и указывается степенью запрещённости.

Исследование формы бета-спектра электронов распада вблизи его верхней границы даёт важную информацию о массе нейтрино, испускаемого в процес­се распада. В экспериментах с бета-распадом тя­жёлого изотопа водорода - трития - по­лучено рекордное ограничение на массу электронного нейтрино: т _vе ≤2 эВ.

Экспериментальные исследования бета-распада прово­дятся с помощью бета-спектрометров различного типа. Прецизионные измерения бе­та-спектров выполняются магнитными спектрометрами. Более широкое приме­нение находят спектрометры из полу­проводниковых детекторов, поскольку они позволяют работать со значительно более слабыми и короткоживущими ис­точниками.

В современных исследованиях особое место занимает изучение бета-распада нейтро­на как простейшего элементарного про­цесса бета-распада, на основе которого описы­ваются процессы бета-распада в слож­ных ядрах.

Двойной бета-распад. Особую роль играет изучение процессов двойного бета-распада двухнейтринного и безнейтринного типов:

(двухнейтринный 2β-распад);

(безнейтринный 2β-распад).

Процессы первого типа разрешены в рамках стандартной модели, обнаруже­ны экспериментально и характеризуют­ся экстремально большими временами жизни (период полураспада T_1/2≈ 10¹⁸- 10²² лет). Процессы второго типа опи­сываются теоретическими моделями, выходящими за рамки стандартной мо­дели, и зависят от средней массы ней­трино. В настоящее время активно проводится поиск таких процессов в ряде конкретных ядер с целью эксперимен­тального определения массы нейтрино. Обнаружение таких эффектов означало бы, что масса нейтрино отлична от нуля и существуют явления, лежащие вне ра­мок стандартной модели и требующие для своего объяснения развития новой теории.

Обратные бета-процессы. Помимо бета-распада наблюдается ряд обратных ему процессов: электронный захват (захват электронов с K-, L- и других электронных оболочек атомов, в физике звёзд - урка-процесс захвата электронов ядра­ми при больших плотностях вещества), реакции обратного бета-распада в нейтринных (антинейтринных) пучках реакторного, ускорительного или солнечного проис­хождения, а также в нейтринных пото­ках, образующихся при взрывах сверх­новых звёзд. Исследование реакций об­ратного бета-распада на нейтринных потоках от реактора впервые показало, что нейтри­но отличается от антинейтрино (Р. Дей­вис, 1956-59), а на ускорителях - что существуют, во всяком случае, два типа нейтрино - электронное и мюонное. В конце 1970-х годов с использованием ней­трино от ускорителей было доказано также существование тауонного нейтри­но. Эксперименты по измерению нейт­ринных потоков от Солнца и реакторов с помощью процессов обратного бета-распада привели в 2001-04 годах к открытию ней­тринных осцилляций, которые не нахо­дят объяснения в стандартной модели электрослабого взаимодействия и тре­буют дальнейшего развития теории.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. М., 1969. Вып. 4; Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы: В 2 т. М., 1986; Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г. В. Сла­бое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. М., 1992.