5

. Бета-излучения

Бета-частицы – поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Электрон (^–-частица) имеет массу m_e = 9,10910^-31 кг и отрицательный заряд e = 1,610^-19 Кл. Позитрон (⁺-частица) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Массы электрона и позитрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время (доли секунды) из-за аннигиляции с электронами.

Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется природой бета-распада радиоактивных ядер, при котором образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, бета-частицей и нейтрино в различных соотношениях. Таким образом, энергетический спектр бета-частиц сложный и непрерывный. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,018 до 13,5 МэВ. Бета-распад может происходить не только на основной уровень, но и на возбужденные уровни дочернего ядра. Поток бета-частиц называется бета-излучением. В результате электронного бета-распада исходное ядро превращается в новое ядро, масса которого остается прежней, а заряд увеличивается на единицу, при этом появляется частица – антинейтрино:

; .

Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу, при этом образуется нейтрино:

Нейтрино от антинейтрино отличается направлением спина по отношению к импульсу.

К бета-распаду относится еще один вид превращения ядер – электронный захват, при котором ядро притягивает к себе один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома (чаще К-слоя):

;

Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с более высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Ядро же такого атома остается неизменным по массе, превращается в новое ядро с зарядом, уменьшенным на единицу.

Часто один и тот же радионуклид подвергается одновременно нескольким типам распада. Например, К-40 претерпевает электронный распад и электронный захват (К-захват).

Таким образом, при всех видах бета-распада массовое число ядра остается без изменения, а зарядовое число изменяется на единицу.

При взаимодействии бета-частиц с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов, при этом бета-частицы передают атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются. Потеря бета-частицей энергии при каждом акте взаимодействия с веществом сопровождается уменьшением ее скорости до тепловой скорости движения вещества. Отрицательная бета-частица при этом либо остается в виде свободного электрона, либо присоединяется к нейтральному атому или положительному иону, превращая первый в отрицательный ион, а второй – в нейтральный атом. Положительная бета-частица (позитрон) в конце своего пути, сталкиваясь с электроном, соединяется с ним и аннигилирует.

Многократные изменения направления бета-частицы при ее взаимодействии с веществом приводят к тому, что глубина проникновения ее в вещество – длина пробега – оказывается значительно меньше истиной длины пути бета-частицы в веществе, а ионизация носит объемный характер.

Средняя величина удельной ионизации – линейная плотность ионизации – в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100–300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе достигает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в металлах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близка к скорости света (250000–270000 км/с).

Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение бета-частиц, соответствует максимальной длине пробега – длине пробега бета-частиц, имеющих наибольшую энергию в данном спектре, может быть определена по формуле

, (3.3)

где R_max – максимальная длина пробега (толщина слоя), см; E_max – максимальная энергия бета-частиц в спектре, МэВ;  – плотность вещества, г/см³.

Потеря энергии бета-частицами и рассеяние их в веществе приводят к постепенному ослаблению потока бета-частиц, которое выражается экспоненциальной зависимостью

, (3.4)

где N – число бета-частиц, прошедших слой вещества толщиной R в единицу времени; N₀ – начальное число бета-частиц, падающих в единицу времени на поглощающий слой; _л – линейный коэффициент поглощения, см^-1; R – толщина поглощающего слоя, см.

6