Ugrás a tartalomhoz

Magfizika

Fábián Margit, Osán János, Dr. Zagyvai Péter (2012)

EDUTUS Főiskola

A bétasugárzás

A bétasugárzás

Béta-bomlásnak nevezzük azt a spontán magátalakulást, amikor a magból nagy energiájú elektron (β-) vagy pozitron (β+) lép ki. Ide tartozik az a bomlási mód is, amikor a mag elektronbefogással stabilizálódik. Béta-bomlás a teljes periódusos rendszerben lehetséges, minden elemnek van legalább egy béta-bomló izotópja. A β-sugárzás közel fénysebességű elektronokból áll, áthatoló képességük közepes, nagyobb, mint az α-sugárzásé, néhány mm vastagságú alumínium lemez elnyeli.

A β- - bomlás során az atommagból elektronok lépnek ki.

4.3. egyenlet - (4-3)

X Z A N e 1 0 0 + Y Z + 1 A N 1

Például a tríciumból hélium keletkezik:

\[{}_1^3He \to {}_2^3He + {e^ - }\]

A neutronfelesleggel rendelkező magok stabilizálódnak így (nagy N/Z arány), amikor a bomlás pillanatában egy neutron, protonná és elektronná alakul át:

4.4. egyenlet - (4-4)

n p + β + ν ˜

antineutrínót jelent. Ez egy töltés nélküli elemi részecske, amely szinte semmivel nem lép kölcsönhatásba, és ezért igen nehéz kimutatni. A magfolyamat exoterm, a felszabaduló energia 0,8 MeV (a neutron nyugalmi energiája 1,3 MeV-tal nagyobb a protonénál, ebből kell levonni az elektron energiáját). A mag rendszáma eggyel nő, a tömegszám változatlan marad:

4.5. egyenlet - (4-5)

X Z A Y Z + 1 A + β + ν ˜ + ( γ )

A β+ - bomlás, pozitron-bomlás során a magokból pozitronok lépnek ki.

4.6. egyenlet - (4-6)

p n + β + + ν

ν neutrínót jelent. Ebben az esetben a bomlás során pozitron és neutrínó keletkezik, a pozitron szintén elhagyja az atommagot. Ha egy elektronnal ütközik, egymást kölcsönösen megsemmisítik (anyag-antianyag!). Az elemi magfolyamat ebben az esetben endoterm (az 1,3MeV energiakülönbséghez hozzáadjuk az elektron energiáját). A β+ - bomlás tehát csak akkor megy végbe, ha a tömegváltozással arányos energiaváltozás fedezi ezt az 1,8 MeV-os energiaszükségletet. A mag rendszáma eggyel csökken, a tömegszám változatlan marad.

4.7. egyenlet - (4-7)

X Z A Y Z 1 A + β + + ν + ( γ )

A β-bomlásokhoz soroljuk az elektronbefogást is. A magban a proton→neutron átalakulás úgy is végbemehet, hogy a nagyenergiájú proton egy „alkalmas”, tehát az atommag által elfoglalt térrészben is reális valószínűséggel tartózkodó pályaelektronnal egyesül. Leggyakrabban a legbelső K-héjon levő elektron fogódik be, ezért ezt a folyamatot gyakran K befogásnak is hívják. E proton és az elektron neutronná alakul egy neutrínó kibocsájtása mellett, ezt nevezzük elektronbefogásnak.

4.8. egyenlet - (4-8)

p + e n + ν

A folyamat endoterm (-0,8MeV), a magátalakulás ugyanolyan magot eredményez, mint a pozitron-bomlás. Az elektronbefogás a β+-bomláshoz hasonlóan, relatív protontöbblettel rendelkező magokra jellemző. Az atommagok bizonyos százaléka elektronbefogással, a többi pedig β+-bomlással jut alacsonyabb protonszámú állapotba. A rendszám eggyel csökken, a tömegszám nem változik.

4.9. egyenlet - (4-9)

X Z A + e Y Z 1 A + ν

Az elektronbefogásnál a teljes energiát az egyetlen bomlástermék, a neutrínó viszi el. A folyamatot karakterisztikus röntgensugárzás kíséri, mivel a befogott elektron helye egy másik héjról betöltődik, és az energiakülönbség röntgensugárzás formájában távozik. Egy másik szekunder kísérő folyamatban a röntgensugárzás egy külső héjról elektront üthet ki (Auger-elektron). Az elektron, miközben a mag befogja, gyorsul, ezért belső fékezési sugárzást is indukál, amely ugyancsak jellemző a bomlásfajtára. Tehát, az elektronbefogás kísérősugárzásai a karakterisztikus és fékeződési röntgensugárzás, valamint az Auger-elektronok.

A β-sugárzás folytonos energia spektrummal rendelkezik, mert a teljes bomlási energia megoszlik a β--részecske és az antineutrínó, illetve a β+-részecske és a neutrínó között. Az eloszlási spektrum mindig rendelkezik egy jellemző, maximális energiával (4.2.1. ábra), az átlagos energia 0,2 - 0,4 Eβmax közé esik.

4.2.1. ábra

A neutrínó és antineutrínó kimutatása visszalökődési kísérletekkel történt. Az impulzus-megmaradás tétele értelmében a magból kilépő részecske a magot ellentétes irányban visszalöki. Ez egy harmadik részecskét feltételez, tehát a pozitron-elektron és neutrínó-antineutrínó impulzusának eredője lesz ellentétes irányban egyenlő a meglökött mag impulzusával. Ezt az atomreaktorok intenzív antineutrínó forrásai révén tudták bizonyítani.

Az elemek nagy részének van valamilyen β-bomlása, több elemnek többféle β-bomlása is lehetséges, különböző számú izotópot eredményezve. (Ez tipikusan a kétszer páratlan atommagoknál fordul, amelyeknek mind a proton-, mind a neutronszám páratlan.) Például a 64Cu mindhárom ismertetett módon bomlik, 39%-al β--bomlással, 19%-al β+-bomlással és 42%-al elektronbefogással. A rendszámcsökkenéssel járó folyamatok közül könnyű magokban a β+-bomlás dominál, míg a nehéz magoknál inkább az elektronbefogás. A legnehezebb stabil elem a 209Bi, amelynek a természetben egyetlen stabil izotópja van.