Beta bozunması - Beta decay

β^-
bir atom çekirdeğinde bozunma (eşlik eden antineutrino atlanmıştır). Ek, serbest bir nötronun beta bozunmasını gösterir. Bu tasvirlerin hiçbiri ara sanal
W^-
bozon.

Olarak nükleer fizik , beta bozunması (β-çürüme) bir tür radyoaktif bozunma bir ettiği beta parçacığı (hızlı enerjik elektron veya pozitron ) bir yayılan atom çekirdeğinin asıl dönüşüm, izotop , bir üzere izobar bu nüklidin. Örneğin, bir nötronun beta bozunması, bir antineutrino eşliğinde bir elektron emisyonu ile onu bir protona dönüştürür ; ya da, bunun tersine, bir proton, bir bir pozitron emisyonu ile nötron dönüştürülür nötrinonun sözde pozitron emisyon . Ne beta parçacığı ne de onunla ilişkili (anti-)nötrino, beta bozunmasından önce çekirdekte bulunmaz, bozunma sürecinde oluşturulur. Bu işlemle, kararsız atomlar daha kararlı bir proton-nötron oranı elde eder . Beta ve diğer bozunma biçimleri nedeniyle bir nüklidin bozunma olasılığı, nükleer bağlanma enerjisi tarafından belirlenir . Mevcut tüm nüklidlerin bağlanma enerjileri, nükleer bant veya kararlılık vadisi denilen şeyi oluşturur . Elektron veya pozitron emisyonunun enerjisel olarak mümkün olması için, enerji salınımı ( aşağıya bakınız ) veya Q değeri pozitif olmalıdır.

Beta bozunması, nispeten uzun bozunma süreleri ile karakterize edilen zayıf kuvvetin bir sonucudur . Nükleonlar yukarı ve aşağı kuarklardan oluşur ve zayıf kuvvet , bir elektron/antinötrino veya pozitron/nötrino çiftinin oluşmasına yol açan bir W bozonu emisyonu yoluyla bir kuarkın lezzetini değiştirmesine izin verir . Örneğin, iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşan bir nötron, bir aşağı kuark ve iki yukarı kuarktan oluşan bir protona bozunur.

Elektron yakalama bazen bir tür beta bozunması olarak dahil edilir, çünkü zayıf kuvvetin aracılık ettiği temel nükleer süreç aynıdır. Elektron yakalamada, bir iç atom elektronu, çekirdekteki bir proton tarafından yakalanır ve onu bir nötrona dönüştürür ve bir elektron nötrinosu serbest bırakılır.

Açıklama

Beta bozunmasının iki türü, beta eksi ve beta artı olarak bilinir . Beta eksi (β ⁻ ) bozunmasında, bir nötron bir protona dönüştürülür ve süreç bir elektron ve bir elektron antinötrino yaratır ; beta artı (β ⁺ ) bozunmasında, bir proton bir nötrona dönüştürülür ve süreç bir pozitron ve bir elektron nötrino oluşturur. β ⁺ bozunması, pozitron emisyonu olarak da bilinir .

Beta bozunması, lepton sayısı veya elektronların sayısı ve bunlarla ilişkili nötrinolar (diğer leptonlar, müon ve tau parçacıklarıdır) olarak bilinen bir kuantum sayısını korur . Bu parçacıkların lepton sayısı +1, antiparçacıklarının lepton sayısı -1'dir. Bir proton veya nötronun lepton sayısı sıfır olduğundan, β ⁺ bozunmasına (bir pozitron veya antielektron) bir elektron nötrino eşlik etmeli, β ^- bozunmasına (bir elektron) bir elektron antinötrino eşlik etmelidir.

Elektron emisyon (β bir örneği, ^- çürüme) bozunması olan karbon-14 içine azot-14 , bir ile yarı-ömrü 5,730 ile ilgili yıllık:

¹⁴
₆C
→ ¹⁴
₇n
+
e^-
+
ν
_e

Bu bozunma biçiminde, orijinal element, nükleer dönüşüm olarak bilinen bir süreçte yeni bir kimyasal element haline gelir . Bu yeni elementin kütle numarası $A$ değişmedi , ancak atom numarası bir arttı, $Z$ atom numarası var . Tüm nükleer bozunmalarda olduğu gibi, bozunan element (bu durumda¹⁴
₆C
) ana nüklid olarak bilinirken ortaya çıkan eleman (bu durumda¹⁴
₇n
) kızı nüklid olarak bilinir .

Diğer bir örnek, hidrojen-3'ün ( trityum ) yaklaşık 12,3 yıllık bir yarı ömre sahip helyum-3'e bozunmasıdır :

³
₁H
→ ³
₂o
+
e^-
+
ν
_e

Pozitron emisyon (β bir örneği ⁺ çürüme) bozunması olan magnezyum-23 içine sodyum-23 yaklaşık 11.3 saniye yarı-ömrü:

²³
₁₂Mg
→ ²³
₁₁Na
+
e⁺
+
ν
_e

β ⁺ bozunması aynı zamanda nükleer dönüşümle sonuçlanır ve sonuçta ortaya çıkan elementin atom numarası bir azalır.

Elektron ve antineutrino arasındaki tipik bir enerji bölünmesini gösteren bir beta spektrumu

Beta parçacıkları için beta spektrumu veya enerji değerlerinin dağılımı süreklidir. Bozunma sürecinin toplam enerjisi elektron, antineutrino ve geri tepen nüklid arasında bölünür. Sağdaki şekilde, ²¹⁰ Bi'nin beta bozunmasından 0.40 MeV enerjili bir elektron örneği gösterilmektedir. Bu örnekte, toplam bozunma enerjisi 1.16 MeV'dir, dolayısıyla antineutrino kalan enerjiye sahiptir: 1.16 MeV − 0.40 MeV = 0.76 MeV . Eğrinin en sağındaki bir elektron, mümkün olan maksimum kinetik enerjiye sahip olacak ve nötrino enerjisini yalnızca küçük durgun kütlesi olarak bırakacaktır.

Tarih

Keşif ve ilk karakterizasyon

Radyoaktivite 1896'da Henri Becquerel tarafından uranyumda keşfedildi ve daha sonra Marie ve Pierre Curie tarafından toryumda ve yeni elementler polonyum ve radyumda gözlemlendi . 1899'da Ernest Rutherford , radyoaktif emisyonları iki türe ayırdı: nesnelerin penetrasyonuna ve iyonizasyona neden olma yeteneğine dayalı olarak alfa ve beta (şimdi beta eksi). Alfa ışınları ince kağıt veya alüminyum levhalar tarafından durdurulabilirken, beta ışınları birkaç milimetre alüminyuma nüfuz edebilir. 1900'de Paul Villard , Rutherford'un 1903'te temelde yeni bir tür olarak tanımladığı ve gama ışınları olarak adlandırdığı daha da nüfuz edici bir radyasyon türü tanımladı . Alfa, beta ve gama, Yunan alfabesinin ilk üç harfidir .

1900'de Becquerel, katot ışınlarını incelemek ve elektronu tanımlamak için kullanılan JJ Thomson yöntemiyle beta parçacıkları için kütle-yük oranını ( $m / e$ ) ölçtü . O bulunan $m$ $/$ $e$ beta parçacık için Thomson'ın elektron için aynıdır ve bu nedenle beta parçacığı aslında bir elektron önerdi.

1901'de Rutherford ve Frederick Soddy , alfa ve beta radyoaktivitesinin atomların diğer kimyasal elementlerin atomlarına dönüştürülmesini içerdiğini gösterdi . Daha Radyoaktif Bozunma ürünleri bilinen sonra 1913 yılında Soddy ve Kazimierz Fajans bağımsız olarak önerilen radyoaktif yer değiştirme kanunu (yani beta belirtmektedir, yani,
β^-
) bir elementten emisyon, periyodik tablonun bir yerinde sağda başka bir element üretirken , alfa emisyonu iki yerde solda bir element üretir.

nötrinolar

Beta bozunması çalışması, nötrino'nun varlığına dair ilk fiziksel kanıtı sağladı . Hem alfa hem de gama bozunmasında, ortaya çıkan alfa veya gama parçacığı dar bir enerji dağılımına sahiptir , çünkü parçacık enerjiyi ilk ve son nükleer durumlar arasındaki farktan taşır. Bununla birlikte, 1911'de Lise Meitner ve Otto Hahn tarafından ve 1913'te Jean Danysz tarafından ölçülen beta parçacıklarının kinetik enerji dağılımı veya spektrumu, dağınık bir arka plan üzerinde çoklu çizgiler gösterdi. Bu ölçümler, beta parçacıklarının sürekli bir spektruma sahip olduğuna dair ilk ipucunu verdi. 1914'te James Chadwick , spektrumun sürekli olduğunu gösteren daha doğru ölçümler yapmak için Hans Geiger'in yeni sayaçlarından biriyle manyetik bir spektrometre kullandı . Beta parçacık enerjilerinin dağılımı , enerjinin korunumu yasasına açıkça aykırıydı . Eğer beta bozunması o zaman varsayıldığı gibi basitçe elektron emisyonu olsaydı, o zaman yayılan elektronun enerjisinin belirli, iyi tanımlanmış bir değeri olması gerekirdi. Bununla birlikte, beta bozunması için, enerjilerin gözlemlenen geniş dağılımı, beta bozunma sürecinde enerjinin kaybolduğunu ileri sürdü. Bu spektrum uzun yıllar boyunca kafa karıştırıcıydı.

İkinci bir problem açısal momentumun korunumu ile ilgilidir . Moleküler bant spektrumları gösterdi nükleer spin ait nitrojen-14 1 (yani, e eşit indirgenmiş Planck sabitesi ) ve daha genel olarak sıkma da çekirdekleri için entegre olduğu kütle numarasından ve yarım-yekpare tek kütle numarasından çekirdekleri için. Bu daha sonra çekirdeğin proton-nötron modeliyle açıklandı . Beta bozunması, kütle numarasını değiştirmeden bırakır, bu nedenle nükleer spin değişikliği bir tamsayı olmalıdır. Bununla birlikte, elektron dönüşü 1/2'dir, dolayısıyla beta bozunması sadece elektron emisyonu olsaydı açısal momentum korunmazdı.

1920'den 1927'ye kadar Charles Drummond Ellis (Chadwick ve meslektaşları ile birlikte) beta bozunma spektrumunun sürekli olduğunu daha da ortaya koydu. 1933'te Ellis ve Nevill Mott , beta spektrumunun enerjide etkili bir üst sınıra sahip olduğuna dair güçlü kanıtlar elde etti. Niels Bohr , enerjinin korunumu yalnızca istatistiksel anlamda doğruysa beta spektrumunun açıklanabileceğini , dolayısıyla bu ilkenin herhangi bir bozunmada ihlal edilebileceğini öne sürmüştü. Ancak, Ellis ve Mott tarafından belirlenen beta enerjilerindeki üst sınır bu görüşü dışladı. Şimdi, bilinen beta bozunma ürünlerinde enerjinin değişkenliğinin ve ayrıca süreçte momentumun ve açısal momentumun korunmasının nasıl hesaba katılacağı sorunu akut hale geldi.

Bir de ünlü mektubunda 1930 yılında yazılmış, Wolfgang Pauli elektronlar ve protonlar ek olarak önererek beta parçacığı enerji muamma çözmeye teşebbüs, atom çekirdeklerinin de o nötron denilen son derece hafif nötr parçacık, içeriyordu. Bu "nötronun" beta bozunması sırasında da yayıldığını öne sürdü (böylece bilinen eksik enerji, momentum ve açısal momentumu hesaba kattı), ancak henüz gözlemlenmemişti. 1931'de Enrico Fermi , Pauli'nin "nötronunu" "nötrino" (İtalyanca'da "küçük nötr olan") olarak yeniden adlandırdı. 1933'te Fermi , kuantum mekaniğinin ilkelerini madde parçacıklarına uyguladığı, tıpkı atomik geçişlerdeki ışık kuantumları gibi yaratılabileceğini ve yok edilebileceğini varsayarak, beta bozunması için dönüm noktası teorisini yayınladı . Böylece, Fermi'ye göre, nötrinolar, çekirdekte yer almak yerine beta-çürüme sürecinde yaratılır; aynı şey elektronlara da olur. Madde ile nötrino etkileşimi o kadar zayıftı ki, onu tespit etmek ciddi bir deneysel zorluk oldu. Bir elektronu soğurduktan sonra böyle bir parçacık yayan çekirdeklerin geri tepmesi gözlemlenerek, nötrino varlığına dair başka dolaylı kanıtlar elde edildi. Nötrinolar nihayet 1956'da Clyde Cowan ve Frederick Reines tarafından Cowan-Reines nötrino deneyinde doğrudan tespit edildi . Nötrinoların özellikleri (birkaç küçük değişiklikle) Pauli ve Fermi tarafından tahmin edildiği gibi idi.

β⁺
bozunma ve elektron yakalama

1934'te Frédéric ve Irène Joliot-Curie , nükleer reaksiyonu gerçekleştirmek için alüminyumu alfa parçacıklarıyla bombaladı.⁴
₂o
+ ²⁷
₁₃Al
→ ³⁰
₁₅P
+ ¹
₀n
, ve ürün izotopunun gözlemlendi ³⁰
₁₅P
kozmik ışınlarda bulunanlara benzer bir pozitron yayar ( 1932'de Carl David Anderson tarafından keşfedilmiştir ). Bu ilk örneğiydi
β⁺
beri yapay radyoaktivite olarak adlandırdıkları bozunma ( pozitron emisyonu )³⁰
₁₅P
doğada bulunmayan kısa ömürlü bir nükliddir. Bu keşiflerinden dolayı çifte 1935'te Nobel Kimya Ödülü verildi .

Elektron yakalama teorisi ilk olarak 1934 tarihli bir makalede Gian-Carlo Wick tarafından tartışıldı ve daha sonra Hideki Yukawa ve diğerleri tarafından geliştirildi . K-elektron yakalaması ilk olarak 1937'de Luis Alvarez tarafından ⁴⁸ V nüklidinde gözlemlendi . Alvarez ⁶⁷ Ga ve diğer nüklidlerde elektron yakalamayı incelemeye devam etti .

paritenin korunmaması

1956'da Tsung-Dao Lee ve Chen Ning Yang , zayıf etkileşimlerde paritenin korunduğuna dair hiçbir kanıt olmadığını fark ettiler ve bu yüzden bu simetrinin zayıf kuvvet tarafından korunmayabileceğini öne sürdüler. Laboratuarda paritenin korunumunu test etmek için bir deney tasarımının taslağını çizdiler. O yılın ilerleyen saatlerinde, Chien-Shiung Wu ve iş arkadaşları , kobalt-60'ın soğuk sıcaklıklarda asimetrik bir beta bozunmasını gösteren Wu deneyini gerçekleştirdiler ve bu, paritenin beta bozunmasında korunmadığını kanıtladı. Bu şaşırtıcı sonuç, parite ve zayıf kuvvet hakkında uzun süredir devam eden varsayımları alt üst etti. Teorik çalışmaları nedeniyle, Lee ve Yang 1957'de Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü . Ancak kadın olan Wu, Nobel ödülüne layık görülmedi.

β ^- bozunma

Önde gelen sırası Feynmann şeması için
β^-
a çürüme nötron bir içine proton , elektron ve elektron antineutrino üzerinden bir ara
W^-
bozon . Daha yüksek dereceli diyagramlar için bkz.

İçinde
β^-
çürüme, zayıf etkileşim bir atom çekirdeğini bir elektron yayarken atom numarası bir artan çekirdeğe dönüştürür (
e^-
) ve bir elektron antineutrino (
ν
_e).
β^-
bozunma genellikle nötronca zengin çekirdeklerde meydana gelir. Genel denklem:

^$bir$
_$Z$x
→ ^$Bir$
_{$Z + 1$}X'
+
e^-
+
ν
_e

burada $A$ ve $Z$ olan kütle numarası ve atom numarası çürüyen çekirdeğinin ve X ve X ', ilk ve son elemanlar, sırasıyla,.

Başka bir örnek, serbest nötronun (¹
₀n
) tarafından bozulur
β^-
bir protona bozunma (
P
):

n
→
P
+
e^-
+
ν
_e.

En temel seviye (tasvir edildiği gibi Feynmann diyagram sağda), bu negatif (yüklü dönüştürülmesi neden olduğu -1/3 e ) pozitif yüklü (+) aşağı kuark2/3 e) a'nın emisyonu ile yukarı kuark
W^-
bozon ; NS
W^-
bozon daha sonra bir elektrona ve bir elektron antinötrinosuna bozunur:

NS
→
sen
+
e^-
+
ν
_e.

β ⁺ bozunma

Önde gelen sırası Feynmann şeması için
β⁺
bir ara madde yoluyla bir protonun bir nötron , pozitron ve elektron nötrinoya bozunması
W⁺
bozon

İçinde
β⁺
bozunma veya pozitron emisyonu, zayıf etkileşim, bir atom çekirdeğini, bir pozitron yayarken atom numarası bir azaltılmış bir çekirdeğe dönüştürür (
e⁺
) ve bir elektron nötrino (
ν
_e).
β⁺
bozunma genellikle protonca zengin çekirdeklerde meydana gelir. Genel denklem:

^$bir$
_$Z$x
→ ^$Bir$
_{$Z -1$}X'
+
e⁺
+
ν
_e

Bu, çekirdeğin içindeki bir protonun bir nötrona bozunması olarak düşünülebilir:

p → n +
e⁺
+
ν
_e

Yine de,
β⁺
bunun nedeni, enerji gerektirir, çünkü çürüme, izole edilmiş bir proton ortaya çıkmaması için kütle proton kütlesinden daha büyük olması avantajlıdır nötron arasında.
β⁺
bozunma ancak yavru çekirdek ana çekirdeğe göre daha büyük bir bağlanma enerjisine (ve dolayısıyla daha düşük bir toplam enerjiye) sahip olduğunda çekirdeğin içinde gerçekleşebilir. Bu enerjiler arasındaki fark, bir protonu bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya ve bu parçacıkların kinetik enerjisine dönüştürme reaksiyonuna girer. Bu süreç, negatif beta bozunmasının tam tersidir, çünkü zayıf etkileşim, bir yukarı kuarkı bir aşağı kuarkı dönüştürerek bir protonu bir nötrona dönüştürür ve bir
W⁺
veya absorpsiyon
W^-
. Zaman
W⁺
bozon yayılır, bir pozitron ve bir elektron nötrinoya bozunur :

sen
→
NS
+
e⁺
+
ν
_e.

Elektron yakalama (K yakalama)

Elektron yakalama bozunması için önde gelen mertebeden Feynman diyagramları . Bir elektron , bir aşağı kuark ve elektron nötrino oluşturmak için bir W bozonu aracılığıyla çekirdekteki bir yukarı kuark ile etkileşime girer . İki diyagram önde gelen (ikinci) düzeni içerir, ancak sanal bir parçacık olarak W-bozonunun tipi (ve yükü) ayırt edilemez.

tüm durumlarda
β⁺
bir çekirdeğin bozunmasına (pozitron emisyonuna) enerjik olarak izin verilir, elektron yakalamaya da izin verilir. Bu, bir çekirdeğin atomik elektronlarından birini yakaladığı ve bir nötrino emisyonuyla sonuçlanan bir süreçtir:

^$bir$
_$Z$x
+
e^-
→ ^$Bir$
_{$Z -1$}X'
+
ν
_e

Elektron yakalama bir örneği, sönüm şekillerinden biridir kripton-81 içine brom-81 :

⁸¹
₃₆Kr
+
e^-
→ ⁸¹
₃₅Br
+
ν
_e

Yayılan tüm nötrinolar aynı enerjiye sahiptir. Başlangıç ve son haller arasındaki enerji farkının $2 m e c 2'den$ az olduğu proton bakımından zengin çekirdeklerde ,
β⁺
bozunma enerjisel olarak mümkün değildir ve elektron yakalama tek bozunma modudur.

Yakalanan elektron, atomun en içteki kabuğundan , çekirdekle etkileşime girme olasılığı en yüksek olan K-kabuğundan geliyorsa , sürece K-yakalama denir. L kabuğundan geliyorsa, işleme L-yakalama vb. denir.

Elektron yakalama, β ⁺ bozunmasına uğrayabilen tüm çekirdekler için rekabet eden (eşzamanlı) bir bozunma sürecidir . Bununla birlikte, bunun tersi doğru değildir: elektron yakalama, bir pozitron ve nötrino yaymak için yeterli enerjiye sahip olmayan proton bakımından zengin nüklidlerde izin verilen tek bozunma türüdür.

nükleer dönüşüm

Proton ve nötron bir atom çekirdeğinin parçasıysa , yukarıda açıklanan bozunma süreçleri bir kimyasal elementi diğerine dönüştürür . Örneğin:

¹³⁷ ₅₅C'ler			→	¹³⁷ ₅₆Ba	+	e^-	+	ν _e	(beta eksi bozunma)
²² ₁₁Na			→	²² ₁₀Ne	+	e⁺	+	ν _e	(beta artı bozunma)
²² ₁₁Na	+	e^-	→	²² ₁₀Ne	+	ν _e			(elektron yakalama)

Beta bozunması çekirdekteki nükleonların sayısını ( $A$ ) değiştirmez, sadece $Z$ yükünü değiştirir . Böylece aynı $A'ya$ sahip tüm nüklidlerin kümesi tanıtılabilir; bu izobarik nüklidler , beta bozunması yoluyla birbirlerine dönüşebilir. Belirli bir $A$ için en kararlı olanı vardır. Bu bir yerel minimum sunulur, çünkü beta kararlı olduğu söylenmektedir kütle fazla , örneğin bir çekirdek varsa: $($ $A$ $,$ $Z$ $)$ sayılar, komşu çekirdekleri $($ $A$ $,$ $Z$ $-1)$ ve $($ $A$ $,$ $Z$ $1)$ sahip daha yüksek kütle fazlalığı ve beta bozunması $($ $A$ $,$ $Z$ $) olabilir$ , ancak tersi olamaz. Tüm tek kütle numaraları $A için$ , bilinen tek bir beta kararlı izobar vardır. $A$ için bile , deneysel olarak bilinen en fazla üç farklı beta-kararlı izobar vardır; Örneğin, ¹²⁴
₅₀Sn
, ¹²⁴
₅₂Te
, ve ¹²⁴
₅₄Xe
hepsi beta kararlıdır. Bilinen yaklaşık 350 beta bozunması kararlı nüklid vardır .

Beta bozunma türlerinin rekabeti

Genellikle kararsız nüklidler açıkça "nötron bakımından zengin" veya "proton bakımından zengindir", birincisi beta bozunmasına ve ikincisi elektron yakalamaya (veya daha yüksek enerji gereksinimleri nedeniyle daha nadiren pozitron bozunmasına) maruz kalır. Bununla birlikte, birkaç tek-protonlu, tek-nötronlu radyonüklid durumunda, radyonüklidin ya beta-pozitif ya da beta-negatif bozunma geçirerek bir çift-proton, çift-nötron izobarına bozunması enerjik olarak uygun olabilir. Sıklıkla atıfta bulunulan bir örnek, tek izotoptur.⁶⁴
₂₉Cu
(29 proton, 35 nötron), rekabet halindeki üç tip beta bozunumunu gösterir. Copper-64, yaklaşık 12.7 saatlik bir yarı ömre sahiptir. Bu izotopun bir eşleşmemiş protonu ve bir eşleşmemiş nötronu vardır, bu nedenle proton veya nötron bozunabilir. Bu özel nüklidin (bu durumda tüm nüklidler olmasa da) pozitron emisyonu (%18) veya elektron yakalama (%43 ) yoluyla proton bozunması yoluyla bozunma olasılığı hemen hemen eşittir .⁶⁴
₂₈Ni
, elektron emisyonu (% 39) ile nötron bozunması yoluyla olduğu gibi ⁶⁴
₃₀çinko
.

Doğal olarak oluşan nüklidlerin kararlılığı

Yeryüzünde doğal olarak oluşan nüklidlerin çoğu beta kararlıdır. Yarı ömürleri bir saniyenin altında olanlardan evrenin yaşından önemli ölçüde daha büyük zaman periyotlarına kadar değişen sürelere sahip olmayanlar . Uzun ömürlü bir izotopun yaygın bir örneği, tek-proton tek-nötron nüklididir.⁴⁰
₁₉K
, üç tür beta bozunmasına maruz kalan (
β^-
,
β⁺
ve elektron yakalama) yarı ömrü ile 1.277 × 10 ⁹ yıl .

Beta bozunması için koruma kuralları

Baryon sayısı korunur

B={\frac {n_{q}-n_{\bar {q}}}{3}}

nerede

n_{q}

kurucu kuarkların sayısıdır ve

n_{\overline {q}}

kurucu antikuarkların sayısıdır.

Beta çürüme sadece değiştirir nötronu için proton pozitif beta bozunumu (durumunda, veya elektron yakalama ) protonun için nötron bireysel sayısı böylece kuark değiştirmez. Değişen sadece baryon aromasıdır, burada isospin olarak etiketlenir .

Yukarı ve aşağı kuarkların toplam izospin ve izospin projeksiyonları vardır. $I={\frac {1}{2}}$

I_{\text{z}}={\begin{cases}{\frac {1}{2}}&{\text{up quark}}\\-{\frac {1}{2}} &{\text{aşağı kuark}}\end{durumlar}}

Diğer tüm kuarklarda $I = 0 vardır$ .

Genel olarak

I_{\text{z}}={\frac {1}{2}}(n_{\text{u}}-n_{\text{d}})

Lepton sayısı korunur

L\equiv n_{\ell }-n_{\bar {\ell }}

bu nedenle tüm leptonlar +1, antileptonlar -1 ve leptonik olmayan parçacıklar 0 değerini atamıştır.

{\begin{matrix}&{\text{n}}&\rightarrow &{\text{p}}&+&{\text{e}}^{-}&+&{\bar {\ nu }}_{\text{e}}\\L:&0&=&0&+&1&-&1\end{matris}}

Açısal momentum

İzin verilen bozunmalar için net yörünge açısal momentumu sıfırdır, dolayısıyla sadece spin kuantum sayıları dikkate alınır.

Elektron ve antinötrino, fermiyonlar , spin-1/2 nesnelerdir, bu nedenle toplam (paralel) veya (anti-paralel) olarak çiftlenebilirler. ${\görüntüleme stili S=1}$ ${\ Displaystyle S=0}$

Yasak bozunmalar için yörünge açısal momentumu da dikkate alınmalıdır.

Enerji salınımı

$Q$ değeri , belirli bir nükleer bozunma serbest toplam enerji olarak tanımlanır. Beta bozunmasında $Q$ aynı zamanda yayılan beta parçacığı, nötrino ve geri tepen çekirdeğin kinetik enerjilerinin toplamıdır. (Beta parçacığı ve nötrino ile karşılaştırıldığında çekirdeğin büyük kütlesi nedeniyle, geri tepen çekirdeğin kinetik enerjisi genellikle ihmal edilebilir.) Bu nedenle Beta parçacıkları, 0 ila $Q$ arasında değişen herhangi bir kinetik enerji ile yayılabilir . Tipik bir $Q$ , 1 MeV civarındadır , ancak birkaç keV ile birkaç on MeV arasında değişebilir .

Yana kalan kütlesi elektron 511 keV, en enerjik beta parçacıkları olan ultrarelativistic çok yakın hızlarla, ışık hızı . ¹⁸⁷ Re durumunda , beta parçacığının maksimum hızı, ışık hızının sadece %9,8'i kadardır.

Aşağıdaki tabloda bazı örnekler verilmektedir:

Beta bozunma enerjilerine örnekler
İzotop	Enerji ( keV )	çürüme modu	Yorumlar
serbest nötron	0782.33	β ^-
⁰⁰³ H (Trityum)	0018.59	β ^-	KATRIN deneyinde kullanılan ikinci en düşük bilinen β ⁻ enerjisi .
⁰¹¹ C	0960.4 1982,4	β ⁺ ε⁺
⁰¹⁴ C	0156.475	β ^-
⁰²⁰ F	5390.86	β ^-
⁰³⁷ bin	5125,48 6147,48	β ⁺ ε⁺
¹⁶³ Ho	0002.555	ε⁺
¹⁸⁷ Yeniden	0002.467	β ^-	Bilinen en düşük β ⁻ enerjisi, bir Renyum Deneyi deneyi için Mikrokalorimetre Dizilerinde kullanılıyor
²¹⁰ Bi	1162.2	β ^-

β ^- bozunma

Beta bozunması için genel denklemi düşünün

^$bir$
_$Z$x
→ ^$Bir$
_{$Z + 1$}X'
+
e^-
+
ν
_e.

$Q,$ bu bozunma için bir değerdir

Q=\left[m_{N}\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)-m_{N}\left({ \ce {^{\mathit {A}}_{{\mathit {Z}}+1}X'}}\sağ)-m_{e}-m_{{\overline {\nu }}_{e} }\sağ]c^{2}

,

çekirdeğin kütlesi nerede $m_{N}\sol({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)$ ^$bir$
_$Z$x
atom, elektronun kütlesidir ve elektron antinötrinosunun kütlesidir. Başka bir deyişle, salınan toplam enerji, ilk çekirdeğin kütle enerjisi, eksi son çekirdeğin, elektronun ve antineutrino'nun kütle enerjisidir. Çekirdeğin kütlesi $m$ $N$ , standart atom kütlesi $m$ ile şu şekilde ilişkilidir : $m_{e}$ $m_{{\overline {\nu }}_{e}}$

m\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)c^{2}=m_{N}\left({\ce { ^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)c^{2}+Zm_{e}c^{2}-\sum _{i=1}^{Z} B_{i}

.

Kendisine, toplam atomik kütle çekirdeğin kütlesi, ayrıca elektron kütlesi, eksi tüm toplamıdır elektron bağlama enerjileri, $oda i$ atomu. Bu denklem bulmak için yeniden düzenlenir ve benzer şekilde bulunur. Bu nükleer kütleleri $Q$ değeri denkleminde yerine koyarsak, sıfıra yakın antinötrino kütlesini ve yüksek $Z$ atomları için çok küçük olan elektron bağlama enerjilerindeki farkı ihmal edersek, elde ederiz. $m_{N}\sol({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)$ $m_{N}\sol({\ce {^{\mathit {A}}_{{\mathit {Z}}+1}X'}}\sağ)$

Q=\left[m\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)-m\left({\ce {^{\ mathit {A}}_{{\mathit {Z}}+1}X'}}\sağ)\sağ]c^{2}

Bu enerji elektron ve nötrino tarafından kinetik enerji olarak taşınır.

Reaksiyon sadece $Q$ değeri pozitif olduğunda ilerleyeceğinden, atom kütlesi arttığında β ^- bozunması meydana gelebilir.^$bir$
_$Z$x
atomun kütlesinden büyüktür ^$Bir$
_{$Z + 1$}X'
.

β ⁺ bozunma

β ⁺ bozunma denklemleri, genel denklemle benzerdir.

^$bir$
_$Z$x
→ ^$Bir$
_{$Z -1$}X'
+
e⁺
+
ν
_e

vermek

Q=\left[m_{N}\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)-m_{N}\left({ \ce {^{\mathit {A}}_{{\mathit {Z}}-1}X'}}\sağ)-m_{e}-m_{\nu _{e}}\sağ]c^ {2}

.

Ancak bu denklemde elektron kütleleri birbirini götürmez ve elimizde

Q=\left[m\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)-m\left({\ce {^{\ mathit {A}}_{{\mathit {Z}}-1}X'}}\sağ)-2m_{e}\sağ]c^{2}

Reaksiyon sadece $Q$ değeri pozitif olduğunda ilerleyeceğinden, atom kütlesi arttığında β ⁺ bozunması meydana gelebilir.^$bir$
_$Z$x
aşıyor ^$Bir$
_{$Z -1$}X'
elektronun kütlesinin en az iki katı kadardır.

elektron yakalama

Elektron yakalama için benzer hesaplama, elektronların bağlanma enerjisini hesaba katmalıdır. Bunun nedeni, elektronu yakaladıktan sonra atomun uyarılmış bir durumda kalması ve yakalanan en içteki elektronun bağlanma enerjisinin önemli olmasıdır. Elektron yakalama için genel denklemi kullanma

^$bir$
_$Z$x
+
e^-
→ ^$Bir$
_{$Z -1$}X'
+
ν
_e

sahibiz

Q=\left[m_{N}\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)+m_{e}-m_{N }\left({\ce {^{\mathit {A}}_{{\mathit {Z}}-1}X'}}\sağ)-m_{\nu _{e}}\sağ]c^ {2}

,

hangi basitleştirir

Q=\left[m\left({\ce {^{\mathit {A}}_{\mathit {Z}}X}}\sağ)-m\left({\ce {^{\ mathit {A}}_{{\mathit {Z}}-1}X'}}\sağ)\sağ]c^{2}-B_{n}

,

burada $B n$ , yakalanan elektronun bağlanma enerjisidir.

Elektronun bağlanma enerjisi elektronun kütlesinden çok daha az olduğundan, β ⁺ bozunmasına uğrayabilen çekirdekler her zaman elektron yakalamaya da uğrayabilir, ancak bunun tersi doğru değildir.

Beta emisyon spektrumu

²¹⁰ Bi'nin beta spektrumu . E _max = Q = 1.16 MeV maksimum enerjidir

Beta bozunumu, kuantum mekaniğinde açıklandığı gibi bir pertürbasyon olarak düşünülebilir ve bu nedenle Fermi'nin Altın Kuralı uygulanabilir. Bu , yayılan betaların kinetik enerji spektrumu $N (T)$ için aşağıdaki gibi bir ifadeye yol açar :

N(T)=C_{L}(T)F(Z,T)pE(QT)^{2}

burada $T$ kinetik enerjisidir, $Cı- L$ , (buna izin bozunur için sabittir) çürüme forbiddenness bağlı olan bir şekil fonksiyonudur $F (Z, T)$ ile Fermi Fonksiyon (aşağıya bakınız), Z yük son durum çekirdeği, $E = T + mc 2$ toplam enerjidir, $p = \sqrt (E / c) 2 - (mc) 2$ momentumdur ve $Q$ , bozunmanın Q değeridir . Yayılan nötrinonun kinetik enerjisi, yaklaşık olarak $Q$ eksi betanın kinetik enerjisi ile verilir.

Örnek olarak, ²¹⁰ Bi'nin (başlangıçta RaE olarak adlandırılır) beta bozunma spektrumu sağda gösterilmiştir.

fermi fonksiyonu

Beta spektrum formülünde görünen Fermi işlevi, yayılan beta ve son durum çekirdeği arasındaki Coulomb çekim / itme için hesaplar. İlişkili dalga fonksiyonlarının küresel simetrik olması için yaklaşık olarak, Fermi fonksiyonu analitik olarak şu şekilde hesaplanabilir:

F(Z,T)={\frac {2(1+S)}{\Gama (1+2S)^{2}}}(2p\rho )^{2S-2}e^{\ pi \eta }|\Gama (S+i\eta )|^{2},

burada $p$ son ivme, Γ olan Gama fonksiyonu (ve eğer $α$ olan ince yapı sabiti ve $R, N$ son durum çekirdeğinin çapı) $S = \sqrt 1 - α 2 Z, 2$ , $η = ± .mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .frac .num,.mw-parser-output .frac .den{font-size:80%;line-height:0;vertical-align:super}.mw-parser-output .frac .den{vertical-align:sub}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px} Ze 2 C / ℏ s$ ( $+$ elektronlar için, $-$ positrons) ve $ρ = r N / ℏ$ .

Göreceli olmayan betalar için ( $Q ≪ m e c 2$ ), bu ifade şu şekilde tahmin edilebilir:

F(Z,T)\yaklaşık {\frac {2\pi \eta {1-e^{-2\pi \eta }}}.

Diğer yaklaşımlar literatürde bulunabilir.

Kuri arsa

Bir Kurie grafiği (aynı zamanda Fermi-Kurie grafiği olarak da bilinir ), Franz ND Kurie tarafından geliştirilen beta bozunumunun incelenmesinde kullanılan , momentumu (veya enerjisi) belirli bir dar aralıkta bulunan beta parçacıklarının sayısının karekökü olan bir grafiktir. , Fermi fonksiyonu ile bölünür, beta-parçacık enerjisine karşı çizilir. Fermi beta bozunma teorisine uygun olarak, izin verilen geçişler ve bazı yasak geçişler için düz bir çizgidir. Bir Kurie grafiğinin enerji ekseni (x ekseni) kesişimi, elektron/pozitrona verilen maksimum enerjiye (çürümenin $Q$ değeri) karşılık gelir. Bir Kurie grafiğiyle, bir nötrino'nun etkin kütlesi üzerindeki sınır bulunabilir.

Beta bozunmasında yayılan nötrinoların, elektronların ve pozitronların helisitesi (polarizasyonu)

Paritenin korunumsuzluğunun keşfinden sonra (bkz. Tarihçe ), beta bozunmasında elektronların çoğunlukla negatif sarmallık ile yayıldığı , yani saf bir şekilde konuşursak, bir malzemeye vidalanan solak vidalar gibi hareket ettikleri bulundu. negatif uzunlamasına polarizasyon ). Tersine, pozitronlar çoğunlukla pozitif sarmallığa sahiptir, yani sağ elle kullanılan vidalar gibi hareket ederler. Nötrinolar (pozitron bozunmasında yayılan) negatif helisiteye sahipken, antinötrinolar (elektron bozunmasında yayılan) pozitif helisiteye sahiptir.

Parçacıkların enerjisi ne kadar yüksek olursa, polarizasyonları o kadar yüksek olur.

Beta bozunma geçişlerinin türleri

Beta bozunmaları , yayılan radyasyonun açısal momentumuna ( $L$ değeri ) ve toplam dönüşüne ( $S$ değeri ) göre sınıflandırılabilir . Yörünge ve dönüş açısal momentumu da dahil olmak üzere toplam açısal momentumun korunması gerektiğinden, beta bozunması, çeşitli nükleer açısal momentuma veya "Fermi" veya "Gamow-Teller" geçişleri olarak bilinen dönüş durumlarına çeşitli kuantum durum geçişleriyle meydana gelir. Beta bozunma parçacıkları açısal momentum taşımadığında ( $L = 0$ ), bozunma "izin verilir" olarak adlandırılır, aksi takdirde "yasaktır".

Nadir görülen diğer bozunma modları, bağlı durum bozunması ve çift beta bozunumu olarak bilinir.

Fermi geçişleri

Bir Fermi geçiş toplam spin yayılan elektron (pozitron) ve antinötrino (nötrinosu) çift döndüğü bir beta bozunması olan bir açısal momentum değişmesine neden olan, çekirdeğin ilk ve son durumları arasında (izin verilen bir geçişe varsayarak ). Relativistik olmayan limitte, operatörün bir Fermi geçişi için nükleer kısmı şu şekilde verilir: ${\ Displaystyle S=0}$ $\Delta J=0$

{\mathcal {O}}_{F}=G_{V}\sum _{a}{\hat {\tau }}_{a\pm }

ile zayıf vektör bağlama sabiti, izospin yetiştirme ve operatörler düşürücü ve çekirdekteki tüm proton ve nötronları üzerinde hareket edebilirler. ${\görüntüleme stili G_{V}}$ $\tau _{\pm }$ ${\görüntüleme stili bir}$

Gamow-Teller geçişleri

Bir Gamow-Teller geçiş toplam spin yayılan elektron (pozitron) ve antinötrino (nötrinosu) çift döndüğü bir beta bozunması olan bir açısal momentum değişmesine neden olan, eşit bir şekilde çekirdeğinin ilk ve son durumları arasında ( izin verilen geçiş). Bu durumda, operatörün nükleer kısmı şu şekilde verilir: ${\görüntüleme stili S=1}$ $\Delta J=0,\pm 1$

{\mathcal {O}}_{GT}=G_{A}\sum _{a}{\hat {\sigma }}_{a}{\hat {\tau }}_{a\pm }

ile zayıf eksenel vektör bağlama sabiti ve dönüş Pauli matrisleri çürüyen nükleonun bir eğirme-çevirme üretebilir. ${\görüntüleme stili G_{A}}$ ${\görüntüleme stili \sigma }$

yasak geçişler

Ne zaman $L > 0$ , çürüme olarak adlandırılır " yasak ". Nükleer seçim kuralları , nükleer spin ( $J$ ) ve paritedeki ( $π$ ) değişikliklerin eşlik etmesi için yüksek $L$ değerleri gerektirir . $L$ th yasak geçişler için seçim kuralları şunlardır:

\Delta J=-L-1,L,L+1;\Delta \pi =(-1)^{L},

burada $Δ π = 1 veya -1$ , sırasıyla hiçbir parite değişikliğine veya parite değişikliğine karşılık gelmez. Son durumun yapısının başlangıç durumunun yapısına çok benzer olduğu izobarik analog durumlar arasındaki özel bir geçiş durumu, beta bozunması için "süper izinli" olarak adlandırılır ve çok hızlı ilerler. Aşağıdaki tablo , $L'$ nin ilk birkaç değeri için Δ J ve Δ π değerlerini listeler :

yasak	Δ `J`	Δ `π`
süper izin	0	Numara
İzin verilmiş	0, 1	Numara
İlk yasak	0, 1, 2	Evet
ikinci yasak	1, 2, 3	Numara
Üçüncü yasak	2, 3, 4	Evet

Nadir bozulma modları

Bağlı durum β ^- bozunma

Serbest nötron bozunmalarının çok küçük bir azınlığı (yaklaşık milyonda dört), proton, elektron ve antineutrino'nun üretildiği, ancak elektronun kaçmak için gereken 13.6 eV enerjiyi kazanamadığı "iki cisimli bozunmalar" olarak adlandırılır. protondur ve bu nedenle nötr bir hidrojen atomu olarak ona bağlı kalır . Bu tür beta bozunmasında, özünde tüm nötron bozunma enerjisi antinötrino tarafından taşınır.

Tamamen iyonize atomlar (çıplak çekirdekler) için, benzer şekilde elektronların atomdan kaçamaması ve çekirdekten düşük atomlu bağlı durumlara (yörüngeler) yayılması mümkündür. Bu, zaten elektronlar tarafından doldurulmuş, düşük seviyede bağlı durumlara sahip nötr atomlar için gerçekleşemez.

Bağlı durum β bozunmaları Daudel , Jean ve Lecoin tarafından 1947'de tahmin edildi ve tamamen iyonize atomlardaki fenomen ilk olarak 1992'de Jung ve diğerleri tarafından ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ için gözlendi . Darmstadt Ağır İyon Araştırma grubunun üyesi. Nötr ¹⁶³ Dy kararlı bir izotop olmasına rağmen , tamamen iyonize edilmiş ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ , 47 günlük bir yarı ^ömürle K ve L kabuklarına β bozunmasına uğrar.

Başka bir olasılık da, Bosch ve diğerleri tarafından, yine Darmstadt'ta ¹⁸⁷ Re için gözlemlendiği gibi, tamamen iyonize bir atomun büyük ölçüde hızlandırılmış β bozunmasına maruz kalmasıdır. Tarafsız ¹⁸⁷ Re 41,6 × 10 bir yarılanma ömrü ile β bozunuma uğrayan yapar ⁹ yıldır, ancak tam iyonize için ¹⁸⁷ Re ⁷⁵⁺ Bu sadece 32.9 yıla kadar kısaltılır. Karşılaştırma için, kimyasal ortam nedeniyle diğer nükleer süreçlerin bozunma oranlarının değişimi %1'den azdır .

Çift beta bozunması

Bazı çekirdekler, çekirdeğin yükünün iki birim değiştiği durumlarda çift beta bozunmasına (ββ bozunmasına) uğrayabilir. İşlem son derece uzun bir yarı ömre sahip olduğundan, çift beta bozunmasını incelemek zordur. Hem β bozunması hem de β β bozunması mümkün olan çekirdeklerde, daha nadir olan β β bozunma sürecini gözlemlemek fiilen imkansızdır. Bununla birlikte, β bozunmasının yasak olduğu ancak β β bozunmasına izin verilen çekirdeklerde, süreç görülebilir ve bir yarı ömür ölçülebilir. Bu nedenle, ββ bozunması genellikle sadece beta kararlı çekirdekler için incelenir. Tek beta bozunması gibi, çift beta bozunması da $A'yı$ değiştirmez ; bu nedenle, belirli bir $A'ya$ sahip nüklidlerden en az biri, hem tek hem de çift beta bozunması açısından kararlı olmalıdır.

"Sıradan" çift beta bozunması, iki elektron ve iki antinötrino emisyonuyla sonuçlanır. Nötrinolar Majorana parçacıklarıysa (yani kendi antiparçacıklarıysa), nötrinosuz çift beta bozunması olarak bilinen bir bozunma meydana gelir. Çoğu nötrino fizikçisi, nötrinosuz çift beta bozunmasının hiç gözlemlenmediğine inanır.

Ayrıca bakınız

nötrino
Betavoltaikler
parçacık radyasyonu
radyonüklid
Trityum aydınlatma , beta bozunmasıyla desteklenen bir floresan aydınlatma şeklidir.
Pandemonium etkisi
Toplam absorpsiyon spektroskopisi

Referanslar

bibliyografya

Tomonaga, S.-I. (1997). Spin'in Öyküsü . Chicago Üniversitesi Yayınları .
Tuli, JK (2011). Nükleer Cüzdan Kartları (PDF) (8. baskı). Brookhaven Ulusal Laboratuvarı .

Dış bağlantılar

Canlı Nüklit Tablosu - IAEA , bozunma tipine göre filtreli

Beta bozunma simülasyonu [1]

Languages

In other projects

Beta bozunması - Beta decay

İçindekiler

Açıklama