1.3.2. Бета-распад
Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов претерпевают распад с испусканием электронов и позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называются бета-частицами или бета- излучением, а сами ядра – бета-активными. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад. При этом виде ядерных превращений один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино и возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Вылет электронов сопровождается выбросом антинейтрино – элементарной частицы с массой менее 1/2000 массы покоя электрона, дочерний элемент сдвинут в таблице Д.И. Менделеева на 1 поле. Например:
,
где
– антинейтрино.
При излишке протонов происходит позитронный (β+) бета-распад. Он сопровождается образованием нового элемента, расположенного в периодической таблице Д.И. Менделеева на 1 позицию влево от материнского; протон превращается в нейтрон, энергия выделяется также в виде элементарной частицы – нейтрино. Позитрон срывает с электронной оболочки электрон, образует пару позитрон – электрон, при взаимодействии которых образуются 2 гамма-кванта (процесс аннигиляции). Например:
,
где Q – энергия двух гамма-квантов. Взаимодействие между электронами и веществом также приводит к процессам ионизации и возбуждения атомов и молекул. При взаимодействии с орбитальными электронами бета-частица отклоняется от первоначального пути (одноименные заряды отталкиваются), поэтому глубина проникновения бета-частиц в вещество меньше, чем длина пробега.
Бета-частицы (бета-излучение) распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях – до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редко ионизирующее излучение).
Возникающее при перестройке ядер атомов радиоактивных элементов излучение также моноэнергетично (то есть имеет линейный спектр) или характеризуется ограниченным числом фиксированных энергий (до нескольких МэВ).
Тормозное и характеристическое излучения обычно относят к рентгеновским лучам, а образующееся при ядерных перестройках – к гамма-излучению. При таком разделении спектры рентгеновских и -лучей перекрываются. Нет принципиальных различий между ними и по физическим свойствам. Часто, независимо от происхождения, излучение с энергией фотонов до 250 кэВ относят к рентгеновскому излучению, а выше 250 кэВ – к гамма-излучению. По длине волны эта граница соответствует примерно 0,05 ангстрем.
Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение, распространяется прямолинейно со скоростью света, энергия его колеблется от 0,01 МэВ до 3 МэВ. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядра природных и искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях – десятки см.
Рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение).
1.3.3. К-захват электронов ядром
При этом процессе протон ядра атома захватывает электрон с ближайшей к ядру K-орбитали или реже с L-орбитали, имеет место такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде. Например:
.
При К-захвате единственной вылетевшей частицей является антинейтрино, возникает также характеристическое рентгеновское излучение.