Бета-излучение

1 декабря 2021

Своим рождением бета-излучение обязаны распаду ядер атомов радиоактивных элементов. Вырываясь из плена внутриядерных сил, бета-частицы наследуют от родительского атома разную энергию и соответственно, разную скорость. Быстрота полёта этих частиц колеблется от 100 тыс. км/с и до световой скорости. Поэтому в воздухе они способны «пробегать» разные расстояния вплоть до 1800 см. В биологических тканях их жизненных сил хватает лишь на 2,5 см свободного пробега. Это вполне объяснимо. Поскольку проникающая способность бета-излучения зависит от плотности среды.

распад ядер атомов радиоактивных элементовИз-за ничтожно малой массы, бета-частицы легко отклоняются от прямолинейного пути, описывая в веществе самые причудливые траектории.

История

После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивного излучения, началось его активное исследование. В 1899 году Эрнест Резерфорд опубликовал работу, в которой он показал, что существует несколько типов частиц, излучаемых: тяжёлые, положительно заряженные частицы с малой проникающей способностью, получившие название альфа-излучения, и лёгкие, отрицательно заряженные частицы с в сто раз большим пробегом в веществе, которые он назвал бета-излучением. В 1900 году Беккерель, измерив отношение заряда бета-частиц к их массе, показал, что эти частицы являются электронами.

В 1930 году, разрабатывая теорию бета-распада, Энрико Ферми предположил, что бета-частицы не содержатся в ядре, но образуются при распаде нейтрона. Теория Ферми в дальнейшем стала основой для построения современных теорий слабого взаимодействия.

Источники излучения

Непосредственно, бета-частицы образуются при распаде виртуального заряженного W–бозона на электрон и антинейтрино. Бозон, в свою очередь, образуется при распаде d-кварка, что находится в нейтроне, на u-кварк и W – бозон. В случае позитронного распада все эти реакции происходят с обратными знаками: u-кварк в протоне распадается с образованием d-кварка и W+-бозона, что распадается на позитрон и нейтрино.

При бета-распаде часто кроме бета-частиц образуются и гамма-кванты, поэтому более широкое практическое применение имеют чистые бета-излучатели. К ним относятся нуклиды[2]:

  • Водород-3 (тритий)
  • Железо-55
  • Никель-63
  • Криптон-85
  • Стронций-90
  • Иттрий-90
  • Рутений-106
  • Родий-106
  • Церий-144
  • Празеодим-144
  • Прометий-147
  • Таллий-204
  • Плутоний-238
  • и другие.

Конструктивно источники бета-частиц представляют собой капсулу, содержащую радиоактивный изотоп и отверстие, через которое излучаются частицы.

Спектр

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2b/rae1.jpg/220px-rae1.jpgВ отличие от альфа-частиц, спектр которых имеет выраженные пики, спектр бета-частиц является сплошным. Это связано с тем, что при распаде W-бозона, энергия распределяется между двумя продуктами этого распада произвольно, и возможны любые комбинации энергий нейтрино и электрона. Максимальная энергия бета-частицы зависит от типа распада, и равна [M (A, Z) – M (A, Z + 1) – me]c 2 для β- и [M (A, Z) – M (A, Z-1) – me]c 2 для β+, где M (A, Z) — масса ядра нуклида с порядковым номером Z и количеством нуклонов в ядре A.

Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад трития), до 20 МэВ (распад лития-11)

Также диапазон энергий бета-частиц смещается благодаря действию кулоновских сил, тормозящих электроны и ускоряют позитроны.

Конкретный спектр энергий бета-частиц описывается следующим уравнением:

{\displaystyle N(\gamma )d\gamma =G^{2}|m|^{2}f(Z,\gamma )(\gamma _{0}-\gamma )^{2}(\gamma ^{2}-1)^{1/2}\gamma d\gamma }

Где γ — энергия в единицах mc2, то есть E/mc2, N (γ) dγ — часть ядер, излучающие бета-частицы с энергией γ за единицу времени, f (Z, γ) — функция, выражающая действие кулоновских сил на частицу, | m |2 — квадрат матричного элемента определяет вероятность распада, γ0 — предельная энергия распада, а G — некоторая константа.

В некоторых случаях, бета-распад происходит с возбуждением состояния ядра, энергия которого затем передается электронам с электронной оболочки атома. Это явление называется внутренняя конверсия. В таком случае, спектр бета-частиц имеет несколько ярко выраженных пиков.

Спектр бета-частиц исследуется с помощью бета-спектрометра.

Взаимодействие с веществом

Средняя длина пробега

Бета-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами в веществе до полной остановки. Пробег бета-частиц зависит от их энергии. Эффективный пробег (толщина слоя вещества, которая останавливает практически все частицы) представлен в таблице:

Все пробеги в таблице представлены в сантиметрах

В большинстве случаев для защиты от бета-частиц достаточно экрана из оргстекла толщиной в 1-2 сантиметра, или металлического листа толщиной 3-5 миллиметров.

Взаимодействие с электронными оболочками

При столкновениях с атомами бета-частица может ионизировать атом, или перевести его в возбуждённое состояние. Оба события имеют примерно равные вероятности, а энергия теряемая таким образом называется ионизационными потерями.

Средние потери энергии электроном при прохождении слоя простого вещества, можно выразить следующей формулой, открытой Ландау:

Где Δx — толщина слоя вещества, ρ — плотность вещества, β — скорость электрона в единицах c, Z и A — заряд и масса элемента.

Однако, применять эту формулу к реальным бета-частицам стоит с осторожностью, потому что она описывает монохромный пучок электронов, а в естественном их пучке всегда существуют электроны различных энергий, которые будут тормозиться с разной скоростью.

Взаимодействие с атомными ядрами

При взаимодействии с ядром электроны могут однократно или многократно рассеиваться в кулоновском поле ядра. Особенностью бета-частиц является то, что, из-за малой массы, при рассеянии их импульс может сильно меняться, что приводит к тормозному излучению. Для высокоэнергетических электронов такое излучение является более значимым каналом потери энергии. Излучённые гамма-кванты могут, в свою очередь, также выбивать электроны, что приводит к образованию каскадов электронов в веществе.

Энергия бета-частиц, при которой потери на излучение уравниваются с ионизационными потерями называется критической энергией.

В зависимости от вещества, критическая энергия может принимать значения от 83 МэВ (воздух) до 7 МэВ (свинец) — таким образом, поскольку энергия частиц, образующихся при бета-распаде, редко превышает 5 МэВ, этот канал не является основным.

Благодаря рассеянию на ядрах, бета-частицы сильно меняют направление своего движения: средний угол отклонения бета-частицы пропорционален квадратному корню из толщины пройденного слоя вещества, а при достаточно толстом слое, говорить о направлении движения электронов уже нельзя, а их перемещение больше напоминает диффузию.

Черенковское излучения

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/trigareactorcore.jpeg/220px-trigareactorcore.jpeg

Излучение Вавилова-Черенкова в реакторе класса TRIGA

Поскольку скорости бета-частиц, как правило, близки к скорости света, при попадании в прозрачную среду они движутся быстрее, чем свет в этой среде, что приводит к возникновению черенковского излучения. Такое излучение характерно, например, для ядерных реакторов, использующих воду в качестве замедлителя нейтронов.

Обратное рассеяние

Также, при попадании бета-частиц на поверхность некоторого материала, некоторые из них отражаются на большие углы (> 90 °). Этот явление называется обратным рассеянием. Часть частиц, отразившихся на большие углы после падения на поверхность вещества называется коэффициентом обратного рассеяния. Этот коэффициент качественно зависит от атомного номера вещества, энергии падающих частиц и толщины слоя вещества следующим образом:

    1. Возрастает пропорционально заряду ядра в степени 2/3 2. Возрастает пропорционально толщине слоя вещества, вплоть пока она не станет равной примерно 1/5 от эффективной длины пробега бета-частиц в этом веществе, после чего дальнейший рост перестает влиять на коэффициент. Такая толщина называется толщиной насыщения. 3. Возрастает с ростом максимальной энергии бета-частиц до значения 0,6 МэВ, после чего остается практически неизменным.

Детектирование бета-частиц

Основным способом детектирования бета-частиц является измерение создаваемой ими ионизации. Для детектирования частиц сравнительно небольших энергий наиболее распространены газонаполненные счётчики (такие как счетчик Гейгера — Мюллера) или твёрдотельные счётчики. Для детектирования электронов более высоких энергий используются счётчики, фиксирующие черенковское излучения, создаваемого быстрыми частицами.

Использование

Бета-терапия

Бета-частицы используются в медицине — облучение электронами, образующимися при бета-распаде. Бета-терапия является разновидностью лучевой терапии, и используется для лечения опухолей и других патологических изменений в тканях. Существует несколько форм бета-терапии: излучающие аппликаторы могут прикладываться к пораженным участкам тела, или же растворы, содержащие в себе излучающие изотопы могут вводиться внутриполостно.

Измерение толщины тонких слоёв

С помощью явления обратного рассеяния можно очень точно определять толщину тонких слоёв вещества, таких как бумага — до некоторого значения, количество отраженных электронов возрастает пропорционально толщине слоя вещества. Также, такие измерения можно проводить, замерив долю бета-частиц, поглощённых веществом. С помощью обратного рассеяния можно, также, измерять толщину покрытия, не повреждая его.

Подсветка

Поскольку бета-частицы вызывают свечение при попадании на поверхность, покрытую люминофором, они используются для создания очень долговечных источников освещения: для этого небольшое количество излучающего изотопа (например, трития) наносят на поверхность, которая будет служить источником света, и дополнительно покрывают люминофором. Бета-частицы, излучаемые изотопом заставляют поверхность светиться в течение десятков лет. Таким образом часто подсвечиваются стрелки часов и других приборов.

Воздействие на человеческий организм

При попадании бета-частиц на кожный покров, происходит сильный ожог.

применение бета излучений

Применение бета излучений

Уровень повреждения зависит от продолжительности и интенсивности воздействия, а также особенностей ткани. Больше всего страдают слизистые оболочки и открытые места.

После катастрофы на АЭС в Чернобыле у людей, которые находились рядом и не были обуты, появлялись сильные ожоги на пятках. Однако гораздо более серьезные последствия влечет за собой попадание частиц внутрь организма. При этом погибают клетки, молекулы ионизируются, происходит выделение токсины, которые могут с легкостью привести к смерти. Такое излучение очень опасно.

В повседневной жизни радиоактивность в той или иной степени считается естественным явлением. Норма излучения — 0,20 мкЗв/час. В том случае, если радиоактивный фон вдвое превысил это значение, то на зараженной территории не стоит находиться более 20−40 минут.

Защитные меры против излучения

В обычной жизни граждане редко нуждаются в профессиональной защите от бета-излучения. Другое дело – узкие специалисты, которые работают на особых предприятиях, где облучение – привычное дело.

Чтобы снизить возможные последствия для здоровья, а также провести результативную профилактику, медики разработали перечень защитных мер. Он помогает свести к минимуму негативное влияние облучения. Список включает в себя:

  • Использование радиопротекторов. Специально обученный медработник вводит в организм работника особые вещества еще до начала работ в предполагаемой опасной зоне. Они направлены на то, чтобы максимально ослабить действие излучения. Формой выпуска считаются инъекции и пищевые добавки.
  • Удаление от источника. Считается основной защитной мерой. Интенсивность облучения можно снизить, покинув опасную зону на рекомендованное расстояние.
  • Временные меры. Минимизации времени, требующегося на исправление дефектов в пораженной зоне.
  • Спецсредства. Предусматривают привлечение экранов на основе стекла, листового алюминия или плексигласа.
  • Противогазы. Необходимы для блокировки попадания частиц ингаляционным путем.
  • Регулярный контроль. Направлен на то, чтобы постоянно следить за показателями дозировки облучения и общей радиационной обстановкой.

Если облучение уже произошло, все вышеперечисленные методы уже не помогут. Гораздо продуктивнее просто покинуть опасную зону. После этого следует снять зараженную одежду и обувь. Для снижения рисков нужно сразу же вымыться под проточной водой вместе с мылом. Все это позволит сохранить здоровье.

Источники:

https://otravleniya.net/izluchenie/beta-izluchenie-ehto. html#chto-takoe-beta-izluchenie

https://ru.wikipedia.org/wiki/Бета-частица#История

Бета-излучение: описание, источники и меры защиты

https://detdom-vidnoe.ru/for_parents/17774.php







Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]