Beta-čestica: razlika između inačica
Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
Nadopunio Beta-čestica |
Nadopunio Beta-čestica |
||
Redak 8:
[[datoteka:Elektroneneinfang (2 Phasen).png|250px|mini|desno|[[Elektronski uhvat]].]]
[[datoteka:JJ Thomson exp2.png|mini|desno|250px|Otklon [[Katodno zračenje|katodnih zraka]] ([[elektron]]i – plava linija) zbog utjecaja [[električno polje|električnog polja]] (žuto).]]
[[datoteka:Tryby rozpadu promieniotworczego.svg|mini|desno|250px|Dijagram prijelaza za vrste radioaktivnih raspada s [[neutronski broj|neutronskim brojem]] ''N'' i [[Atomski broj|atomskim brojem]] ''Z'' (prikazani su α, β<sup>±</sup>, p<sup>+</sup> i n<sup>0</sup> emisija, EC označava [[elektronski uhvat]]).]]
[[datoteka:Beta radiation in a cloud chamber.jpg|250px|mini|desno|Beta-zračenje otkriveno u [[Maglena komora|maglenoj komori]] s izopropanolom (nakon umetanja umjetnog izvora radijacije - [[stroncij]]-90).]]
[[datoteka:Cloud chamber bionerd.jpg|thumb|250 px|[[Maglena komora]] s vidljivim linijama [[Ionizirajuće zračenje|ionizirajućeg zračenja]] (kratke, debele: [[alfa-čestica|alfa-čestice]]; duge, tanke: beta-čestice).]]
[[datoteka:Isotopes and half-life.svg|mini|desno|250px|[[Vrijeme poluraspada]] [[radioaktivnost|radioaktivnih]] izotopa ili [[radionuklid]]a. Treba zapaziti da se teoretska linija za stabilne isotope ''Z'' = ''N'' (''Z'' – [[atomski broj]] i ''N'' - [[neutronski broj]]), razdvaja od stvarnog odnosa atomskog broja i neutrona, što znači da se s povećanjem atomskog broja, povećava i nestabilnost [[atomska jezgra|atomskih jezgri]].]]
[[datoteka:Geiger counter.jpg|mini|desno|250px|desno|[[Geigerov brojač]].]]
[[datoteka:Binding energy curve - common isotopes.svg|mini|desno|250px|[[Nuklearna energija vezanja]] po [[nukleon]]u za neke [[izotop]]e.]]
'''Beta-čestica''' ili '''β-čestica''' je brzi [[elektron]] ili [[pozitron]] koji nastaje pri raspadu [[atomska jezgra|atomskih jezgri]] nekih [[radioaktivnost|radioaktivnih]] elemenata (takozvani [[beta raspad|beta-raspad]]). Beta-čestice su vrsta [[ionizirajuće zračenje|ionizirajućeg zračenja]], koje ima dovoljno [[energija|energije]] da u međudjelovanju s [[kemijska tvar|kemijskom tvari]] [[ionizacija|ionizira]] tu tvar. U međudjelovanju s [[kemijska tvar|kemijskom tvari]] dolazi do izmjene [[energija|energije]] i izmjene strukture ozračene tvari. Takve posljedice mogu biti korisne, ali i vrlo štetne. <ref> [http://chem.grf.unizg.hr/media/download_gallery/2.predavanje_09..pdf] "Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.</ref>
Line 55 ⟶ 65:
Beta (minus) raspad nastaje zbog djelovanja [[Slaba nuklearna sila|slabe nuklearne sile]]. Taj postupak se obično javlja u nuklearnim reaktorima, ako u [[Nuklearno gorivo|nuklearnom gorivu]] ima nestabilnih atomskih jezgri s viškom neutrona.
=== Beta (plus) raspad ili pozitronsko zračenje (β<sup>+</sup>) ===
Nestabilne atomske jezgre koje imaju višak [[proton]]a mogu spontano ostvariti beta (plus) raspad, gdje se proton raspada u neutron, uz zračenje pozitrona i neutrina (elektronski neutrino ili antičestica neutrina):
Line 62 ⟶ 72:
Beta (plus) raspad se može dogoditi samo unutar atomskog jezgra, kojem je [[nuklearna energija vezanja]] novonastalog kemijskog elementa ili [[izotop]]a veća od nuklearne energije vezanja kemijskog elementa iz kojeg je radioaktivni raspad započeo.
== Beta radioaktivnost ==
==Primjena==▼
Poznato je da energetski najpovoljnija tvorba atomskih jezgara s približno jednakim brojem protona i neutrona. Tu se odmah nameće jedno pitanje. Kad su nastajale atomske jezgre u [[svemir]]u, tada se nisu mogle čestice udruživati u jezgre samo tako da nastanu samo oni sastavi kod kojih je broj protona i neutrona jednak. Nalaze li se jedanput na hrpi protoni i neutroni, tad će zbog privlačnih sila nastati po zakonu slučaja sve moguće kombinacije između protona i neutrona u jezgri. Kombinacije s jednakim brojem protona i neutrona samo su energetski najniže, ali s istom takvom [[Vjerojatnost|vjerojatnošću]] mogu nastati sve druge kombinacije između sastavnih čestica jezgri. Međutim, sve se te kombinacije ne pojavljuju u prirodi, kako to pokazuje iskustveno ustanovljena [[simetrija]] između broja protona i neutrona. Je li priroda izvršila namjerno taj izbor energetski najnižih sastava jezgri? Ili postoji još jedan nepoznati mehanizam koji se brine za to da se naposljetku ostvari stanje s najnižom energijom?
Konačan odgovor na to pitanje bio je dan otkrićem [[Umjetna radioaktivnost|umjetne beta radioaktivnosti]] od [[Irène Joliot-Curie|I. Joliot-Curie]] i [[Frédéric Joliot-Curie|F. Joliot-Curie]] 1934. Oni su obasjavali [[aluminij]] alfa-zrakama i pri tom su opazili da bivaju emitirani protoni, neutroni i pozitroni. Kad alfa-čestica prodre u atomsku jezgru aluminija, jedan proton ili neutron može biti izbačen. Ovu posljednju reakciju možemo pisati:
:<math> {}^{27}_{13}\mathrm{Al} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow {}^{30}_{15}\mathrm{P}+{}^{1}_{0}\mathrm{n} </math>
Nastali [[fosfor]]ni [[izotop]] nije stabilan. Zbog [[Coulombov zakon|Coulombove odbojne sile]] energetski je povoljnija [[izobara]] s [[Izobare|atomska težina|atomskom težinom]] 30, kod koje je broj protona 14. U pokusima se opaža da je nastali fosforni izotop beta radioaktivan. Emisijom jednog pozitrona fosfor prelazi u silicij:
:<math> {}^{30}_{15}\mathrm{P} \rightarrow {}^{30}_{14}\mathrm{Si}+{}^{0}_{1}\mathrm{e} </math>
Ista ta [[silicij]]eva jezgra može nastati direktno, da aluminijeva jezgra primi alfa-česticu, a izbaci proton.
U nekoliko godina nakon tog otkrića proizvedeno je obasjavanjem alfa-česticama, protonima i neutronima golemo mnoštvo atomskih jezgri, koje su beta-radioaktivne i emitiraju elektrone ili pozitrone. Broj umjetno proizvedenih nestabilnih jezgri znatno nadmašuje broj prirodno beta radioaktivnih jezgri.
Po zakonu o sačuvanju elektriciteta mora se pri emisiji jednog pozitrona umanjiti naboj jezgre za jedinicu, a kod emisije jednog elektrona povećati za jedinicu. To znači da poslije beta-radioaktivnog raspada imamo jedan proton više ili manje. Beta radioaktivnost neodoljivo nas sili na zaključak da se protoni i neutroni mogu uzajamno pretvarati. Pri emisiji jednog pozitrona pretvara se jedan proton u neutron, a pri emisiji jednog elektrona jedan neutron u proton.
Za tu hipotezu govori vrlo uvjerljivo položaj beta-radioaktivnih jezgri u čitavom sustavu. Beta aktivne jezgre razlikujemo po tome da li emitiraju elektrone ili pozitrone. Nestabilne jezgre iznad dijagonale emitiraju elektrone, nestabilne jezgre ispod dijagonale emitiraju pozitrone. Kod lakih jezgri iznad dijagonale prevladava broj neutrona obično za dvije jedinice nad brojem protona, i te jezgre prelaze emisijom elektrona u stabilne jezgre, kod kojih je broj neutrona jednak broju protona. Takve radioaktivne jezgre su na primjer [[helij]] s masom 6, [[litij]] s masom 8, [[ugljik]] s masom 14, [[fluor]] s masom 20 i tako dalje. Kod svih tih jezgri pretvara se jedan neutron u proton, i tako nastaje energetski niži sastav.
Pozitrone emitiraju nestabilne jezgre, kod kojih je broj protona veći od broja neutrona. Umjetno je proizvedena jezgra s nabojem 6 i masom 10. Taj laki [[ugljik]]ov izotop sastoji se od 6 protona i 4 neutrona. Jezgra je beta-radioaktivna, raspada se uz emisiju pozitrona na [[Bor (element)|bor]]. Nastali bor je stabilna jezgra, ima masu 10 i naboj 5. S prijelazom jednog protona u neutron ostvarena je simetrična tvorevina koja ima nižu energiju. Mi smo prije vidjeli da je zbog Coulombova odbijanja protona ponešto razorena simetrija u jezgri, i da se zato kao stabilnije tvorevine pojavljuju one kod kojih broj neutrona nešto preteže nad brojem protona. Prema tome jezgre s neparnim brojem sastavnih čestica imaju općenito nižu energiju ako je broj neutrona za jedan veći negoli broj protona. Zbog toga atomske jezgre kao <sub>5</sub>B<sup>9</sup>, <sub>8</sub>O<sup>15</sup>, <sub>9</sub>F<sup>17</sup> i tako dalje, emitiraju pozitrone jer prijelazom jednog protona u neutron nastaje sastav kod kojeg je broj neutrona za 1 veći od broja protona u jezgri.
U čitavom sistemu nema dvije stabilne jezgre koje imaju istu masu, ali električni naboj različit za jedinicu. Mi smo već dosad spomenuli nekoliko izobarnih jezgri. To su na primjer helij i litij s masom 6, litij i [[berilij]] s masom 8, ugljik i dušik s masom 14, [[fluor]] i [[neon]] s masom 20. Od dviju takvih izobarnih jezgri uvijek je jedna bila nestabilna. To znači da se u prirodi kod danog broja sastavnih čestica nužno događa pomak prema sastavu s najnižom [[Energija vezanja|energijom vezanja]].
Teške radioaktivne jezgre koje su prve nađene kao prirodno radioaktivne tvari emitiraju elektrone. Emisija pozitrona zapažena je kod umjetno proizvedenih jezgara. Iz prijašnjih razmatranja o energijama spajanja teških jezgri jasno je zašto teške radioaktivne jezgre emitiraju elektrone. Za teške jezgre pokazuje se energetski povoljnijim sastav kod kojega broj neutrona znatno preteže nad brojem protona. Najteža jezgra, uranij 92U238, ima 54 neutrona više od protona. Kod olova 82Pb206 iznosi taj suvišak neutrona nad protonima svega 42. Alfa raspadanjem putuju jezgre od uranija prema olovu, umanjujući prilikom svakog alfa raspadanja broj neutrona i protona za dva. No prema lakšim jezgrama energetski je povoljniji manji suvišak neutrona nad protonima i alfa raspadanjem nastale jezgre imaju previše neutrona, a da bi bile stabilne. Te jezgre moraju nužno umanjiti broj neutrona. U stvarnosti se doista opaža da veliki broj alfa emisijom nastalih jezgri emitira elektrone. Emisijom elektrona prelazi jedan neutron u proton i time nastaje energetski niže stanje jezgre. Iz suviška neutrona na početku radioaktivnog niza, kod olova, može se izračunati broj beta emisija, koje moraju biti ukopčane u silaz atomskih jezgri od uranija do olova. Kod alfa raspadanja ostaje suvišak neutrona nad protonima nepromijenjen. Kod svake emisije elektrona suvišak se, naprotiv, umanjuje za 2 jer istodobno nestaje jedan neutron, a nastaje jedan proton. Budući da uranij ima 54, a olovo 42 neutrona više od protona, to između uranija i olova mora biti 6 beta radioaktivnih jezgara, što se doista slaže s opažanjima.
Već prva opažanja beta zraka u magnetskom polju pokazala su da brzine elektrona nisu jedinstvene. Neke staze su jače svinute, neke slabije, što znači razliku u impulsima. Vrlo točno su na nizu radioaktivnih preparata izmjerili kinetičke energije elektrona Alihanov, Alihanjan i Dzelepov. Oni su našli da se energije elektrona rasprostiru od vrijednosti nula do neke maksimalne vrijednosti. Maksimalna energija emitiranih beta elektrona svojstvena je za pojedinu jezgru. Kod raspada 7N13 na 6C13 biva emitiran pozitron s maksimalnom energijom od 1,2 MeV ili 2,4 mc2. Znatno veća maksimalna energija, oko 23 mc2, opaža se kod raspada 5B12. Raspodjela elektrona na energije dana je za beta radioaktivne elemente svojstvenom funkcijom, koju je izračunao Fermi na osnovu kvantne teorije. Krivulja je malo različita za pozitrone i elektrone jer na njih na izlasku djeluje jezgra odbojnim odnosno privlačnim silama.
Pojava kontinuiranog beta spektra navela je u početku neke fizičare na misao da kod tih procesa ne vrijedi zakon o očuvanju energije. Ta pretpostavka bial je neposredno tumačenje pokusnog rezultata i bila je izrečena u vrijeme kad još nije bilo današnjeg bogatog materijala u nuklearnim procesima. Danas tu misao moramo odbaciti kao nevjerojatnu. Izuzevši beta aktivnost, svuda se opaža stroga valjanost zakona o očuvanju energije. Poznate su tisuće različitih pretvorbi atomskih jezgri kod kojih se uvijek može učiniti ispravna bilanca energije. I samo beta raspadanje, koliko i ruši načelo energije, toliko s druge strane pokazuje zakonitost koja se jedino može tumačiti zakonom o sačuvanju energije. Činjenica je da je za maksimalnu energiju emitiranih elektrona bilanca energije ispunjena. Kad bi zakon energije bio narušen, tada nije razumljivo zašto se ne bi pojavljivali i elektroni s većim energijama. Postojanje granice kontinuiranog spektra očito pokazuje da se ne može tako lako napustiti načelo energije.
Izlaz iz tih teškoća bila je Paulijeva hipoteza neutrina. Pauli je prvi naslutio da radioaktivna jezgra ne emitira samo elektron nego dvije čestice. Jedna čestica je elektron, a druga je Paulijeva hipotetička čestica neutrino. Neutrino nema električnog naboja jer je već emisijom elektrona ispravno promijenjen električni naboj jezgre. Masa neutrina je vrlo malena, ako ne nula. Kod radioaktivnog raspadanja suvišna se energija razdijeli na neutrino i elektron. Pri tom se u pojedinom činu emisije ne mora energija jednoliko raspodijeliti na neutrino i elektron. Štoviše, prema zakonu slučaja treba očekivati da će jedanput gotovo svu energiju beta raspadanja uzeti neutrino, drugi put naprotiv elektron, treći put obje će čestice podijeliti podjednako energije. Iskustveno promatrani elektroni maksimalnih brzina odgovaraju raspadanju jezgri kod kojih neutrino nije dobio ništa energije. Odatle proizlazi, da i njegova masa mirovanja mora biti jednaka nuli jer ne ulazi u bilancu energije.
Danas se općenito uzima da je Paulijeva hipoteza ispravna u bitnim crtama. Neutrino mora spasiti zakon o oluvanju energije. Hipotezi neutrina ne protivi se rezultatimaa pokusa da se kod beta radioaktivnog raspadanja opažaju samo elektroni. Neutrino nema električnog naboja pa ne može ionizirati materiju kroz koju prolazi. Neutrino je u Wilsonovoj komori nevidljiv. Dok se postojanje neutrona može utvrditi po srazovima s ostalim teškim česticama materije, dotle za neutrino otpada i ta mogućnost otkrivanja. On ima prelaku masu, a da bi mogao proizvesti udare koji bi se mogli primijetiti u pokusima. Zbog svoje električki neutralne prirode i vrlo male mase iščezava neutrino bez traga. <ref> [[Ivan Supek]]: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.</ref>
▲== Primjena ==
Beta-čestice se mogu koristiti za liječenje [[Oko|očiju]] i [[Rak (bolest)|raka kostiju]]. Beta-čestice se najčešće dobijaju iz izotopa [[stroncij]]a-90. U ispitivanju materijala koriste se i za mjerenje debljine tankih materijala, kao što je [[papir]]. Beta-čestice se koriste i za stvaranje [[beta svjetlost]]i, koja nastaje ozračivanjem [[tricij]]a i [[Fluorescencija|fluorescentne]] tvari. Beta (plus) raspad se koristi u [[Računalna tomografija|tomografiji]] pozitronskim zračenjem (engl. '''positron emission tomography''' - PET scan).
| |||