Beta-čestica: razlika između inačica

[[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:FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg|mini|desno|250px|Prva upotreba [[vodik]]ove [[Komora na mjehuriće|komore na mjehuriće]] za otkrivanje [[neutrino|neutrina]], 13. studenoga 1970., u ''Argonne National Laboratory''. Ovdje neutrino udari u [[proton]] u [[atom]]u vodika; sudar se događa na mjestu na kojem s desne strane fotografije izlaze 3 traga.]]

'''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>

Beta-čestica je brzi elektron emitiran u [[beta raspad|beta-minus radioaktivnom raspadu]] ili brzi [[pozitron]] emitiran u [[beta raspad|beta-plus radioaktivnom raspadu]]. Njezina je [[masa]] jednaka masi elektrona, [[električni naboj]] može biti pozitivan ili negativan. Izbacivanjem beta-čestica iz atomske jezgre [[maseni broj]] [[atom]]a ne mijenja se, a [[atomski broj]] promijeni se za jedan. U beta-minus raspadu atomski broj poveća se za jedan, a u beta-plus raspadu atomski broj smanji se za jedan. Roj brzih beta-čestica čini beta-zračenje. <ref> '''beta-čestica''', [http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=70391] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.</ref>

'''Beta-zračenje''', '''beta-zrake''' ili '''β-zrake''' je [[čestica|čestično]] [[ionizirajuće zračenje]] koje se sastoji od roja beta-čestica, brzih [[elektron]]a ili [[pozitron]]a izbačenih iz teških [[atomska jezgra|atomskih jezgara]]. Propuštajući [[radioaktivno zračenje]] kroz tanke listiće [[aluminij]]a, [[Ernest Rutherford|E. Rutherford]] je 1898. utvrdio da se mogu razlikovati dvije vrste zračenja [[uranij]]evih spojeva. Zračenje koje nije moglo proći kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 [[metar|mm]] nazvao je [[alfa-zračenje]]m, a zračenje koje je prolazilo i kroz deblje pločice nazvao je beta-zračenjem. Otklonom beta-zračenja u [[električno polje|električnom]] i [[magnetsko polje|magnetskom polju]] prepoznata su mnoga njegova svojstva ([[električni naboj]], [[masa]] i [[brzina]]). Brzina je beta-čestica 0,5 do 0,9 [[brzina svjetlosti|brzine svjetlosti]]. U međudjelovanju beta-zračenja i kemijske tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Izlaganje živih organizama beta-zračenju štetno je za [[zdravlje]]. <ref> '''beta-zračenje (β-zrake)''', [http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=7314] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.</ref>

Već 1900. bilo je poznato da jedan dio [[radioaktivnost|radioaktivnog]] zračenja može da skreće u [[magnetsko polje|magnetskom polju]]. [[Ernest Rutherford|E. Rutherford]] je na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listiće [[aluminij]]a utvrdio da kod zračenja [[uranij]]evih spojeva postoje dvije vrste zraka. Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 &nbsp;mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. Iste godine francuski znanstvenik [[Paul Villard|P. Villard]] je otkrio i treću vrstu radioaktivnog zračenja, za koju se utvrdilo da ima veliku prodornu moć i da ne skreće u magnetskom polju, a nazvane su [[gama-čestica]]ma. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivni [[električni naboj]], a beta-čestice negativan električni naboj.

Za razliku od [[alfa raspad|alfa-raspada]], kod beta-raspada, pri kojem atomska jezgra zrači elektron ili pozitron, ne dolazi do promjene [[Relativna atomska masa|atomske mase]], već se samo [[atomski broj]] poveća ili smanji za jedan ili atomska jezgra se pretvori ([[Transmutacija|transmutira]]) u novi [[kemijski element]], koji je sljedeći ili prethodni redni broj u [[Periodni sustav elemenata|periodnom sustavu elemenata]]. <ref>[http://www.nek.si/hr/o_nuklearnoj_tehnologiji/nuklearno_gorivo/od_rude_do_zutog_kolaca/] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170731082259/http://www.nek.si/hr/o_nuklearnoj_tehnologiji/nuklearno_gorivo/od_rude_do_zutog_kolaca/ |date=31. Srpanjsrpnja 2017. }} "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.</ref>

Budući da, prema kvantnoj teoriji, atomska jezgra ima određene razine energije ili [[kvant]]e energije, onda bi i beta-čestice trebale imati određenu razinu ili kvant energije, a ne neprekinuti spektar energija. Iz toga možemo zaključiti da energija beta-čestica ne nastaje zbog prelaza iz jedne energetske razine u drugu. Prema tome, beta raspad ne udovoljava [[Zakon očuvanja energije|zakonu o očuvanju energije]], a pokusi su pokazali da i ne zadovoljava zakon o očuvanju momenta količine gibanja. Pokusi su doveli u sumnju osnovne zakone gradnje atomskog jezgra.

Na osnovu pretpostavki W. Paulija, [[Enrico Fermi|E. Fermi]] je razradio teoriju beta raspada. Po njoj [[atomska jezgra]] ne sadrži slobodne elektrone i pozitrone, već samo [[proton]]e i [[neutron]]e ([[nukleon]]e). Elektroni i pozitroni koje emitira atomska jezgra, nastaju jedino kod beta-raspada, uslijed pretvorbe neutrona u protone i protona u neutrone, slično kao što u atomu nema [[foton]]a, nego oni nastaju samo prilikom prelaska atoma iz jednog energetskog stanja u drugo. Mogućnost nastanka beta-čestica je uslovljeno stabilnošću atomske jezgre. Energija koja nastaje prilikom beta raspada rasporeduje se na beta-čestice i elektrone, odnosno pozitrone. Po toj teoriji postoje dvije vrste neutrina: neutrino i antineutrino.

Neutrino je otkriven tek 1956., a otkrio ga je [[Sjedinjene Američke Države|američki]] [[fizičar]] Clyde Cowan, prilikom proučavanja [[nuklearna reakcija|nuklearnih reakcija]] u [[nuklearni reaktor|nuklearnom reaktoru]]. [[Japanci|Japanski]] fizičar [[Hideki Jukava|H. Jukava]] sa suradnicima je predvidio 1936., da atomi bogati protonima u atomskom jezgru, mogu uhvatiti elektron iz prve K-ljuske elektronskog omotača, čime bi se proton promijenio u neutron, uz istovremeno zračenje neutrina, što se naziva [[elektronski uhvat]]. <ref>[http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/fisija.html] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170205224130/http://eskola.hfd.hr/fiz_sva_stva/nek/fisija.html |date=5. Veljačaveljače 2017. }} "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.</ref>

[[Brzina]] beta-čestica je različita za radioaktivne elemente ili [[radionuklid]]e, a može iznositi od 75 000 do 298 000 [[metar|km]]/[[sekunda|s]], a to znači od 25% do 99% [[Brzina svjetlosti|brzine svjetlosti]]. Najveća brzina je izmjerena kod beta-raspada [[radij]]a-226 i iznosi 99% brzine svjetlosti. Kako se brzina nekih beta-čestica približava brzinama svjetlosti, tako im se i [[masa]] povećava prema [[Posebna teorija relativnosti|posebnoj teoriji relativnosti]]. Pokusi su pokazali da masa elektrona postaje to veća, kako im se brzina povećava, ili da su mase brzih elektrona veće od njihovih masa u mirovanju. To je bio ujedno i dokaz posebne teorije relativnosti. <ref>[http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/UNE_compl_r1_-_ver_4_DF.pdf] "Uvod u nuklearnu energetiku", Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.</ref>

[[Energija|Energije]] beta-čestica daju neprekinuti ili kontinuirani [[Spektar (fizika)|spektar energija]] i iznose od 0,025 do 3,15 M[[eV]]. Postoji i manji dio beta-čestica koje nastaju naknadnim djelovanjem u elektronskom omotaču elektrona i one daju [[linijski spektar]] energije. Istraživanja su pokazala da beta-čestice imaju puno manju sposobnost [[ionizacija|ionizacije]] plinova od [[alfa-čestica]], ali su im dometi puno veći, i do nekoliko metara (alfa-čestice imaju domet nekoliko centimetara). Beta-čestice mogu prodrijeti kroz [[Olovo (element)|olovni]] lim debljine 1 &nbsp;mm, ali ih [[aluminij]]ski lim debljine 3 &nbsp;mm upija (apsorbira). Kod prolaza beta-čestica kroz neku tvar može nastati i [[zakočno zračenje|zakočno]] [[Rendgenske zrake|rendgensko zračenje]] ([[Njemački jezik|njem]]. ''bremsstrahlung'').

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.

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?

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.

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 ₅B⁹, ₈O¹⁵, ₉F¹⁷ 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 [[Olovo (element)|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 [[magnetsko polje|magnetskom polju]] pokazala su da [[brzina|brzine]] elektrona nisu jedinstvene. Neke staze su jače svinute, neke slabije, što znači razliku u [[Impuls sile|impulsima]]. Vrlo točno su na nizu radioaktivnih preparata izmjerili [[kinetička energija|kinetičke energije]] elektrona Alihanov, Alihanjan i Dželepov. 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 M[[eV]] 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 [[Enrico Fermi|E. Fermi]] na osnovu [[Kvantna teorija|kvantne teorije]]. Krivulja je malo različita za pozitrone i elektrone jer na njih na izlasku djeluje jezgra odbojnim odnosno privlačnim silama.

Danas se općenito uzima da je Paulijeva hipoteza ispravna u bitnim crtama. Neutrino mora spasiti zakon o očuvanju energije. Hipotezi neutrina ne protivi se rezultati pokusa da se kod beta-radioaktivnog raspadanja opažaju samo elektroni. Neutrino nema električnog naboja pa ne može [[Ionizirajuće zračenje|ionizirati materiju]] kroz koju prolazi. Neutrino je u [[Wilsonova komora|Wilsonovoj komori]] nevidljiv. Dok se postojanje neutrona može utvrditi po [[sraz]]ovima 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>

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).

Svijet u kojem živimo [[radioaktivnost|radioaktivan]] je od svog postanka. Postoji oko 60 [[radionuklid]]a (radioaktivnih elemenata), koje možemo pronaći u tlu, zraku, vodi, hrani, a time i u svim živim bićima. Po tome kako su nastali dijele se na one koji su oduvijek prisutni na Zemlji, one koji nastaju kao posljedica djelovanja [[Kozmičke zrake|kozmičkih zraka]], te one koji su posljedica ljudske [[Tehnologija|tehnologije]].

Ljudi su svojim djelovanjem, poglavito razvojem [[nuklearni reaktor|nuklearnih reaktora]] i testiranjem [[nuklearno oružje|nuklearnog oružja]], stvorili još neke radioaktivne elemente, poput [[stroncij]]a-90, [[jod]]a-129, joda-131, [[cezij]]a-137, [[plutonij]]a-239 itd.<ref>[http://www.radiobiologija.vef.unizg.hr/skripta/RAD11-20.htm] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20121125114645/http://www.radiobiologija.vef.unizg.hr/skripta/RAD11-20.htm |date=25. Studenistudenoga 2012. }} "Jedinica radioaktivnosti", www.radiobiologija.vef.unizg.hr, 2011.</ref>

[[radioaktivnost|Aktivnost radioaktivnog uzorka]] mjeri se u [[bekerel]]ima (Bq). Aktivnost od 1 Bq znači jedan raspad [[atomska jezgra|atomske jezgre]] u sekundi. Kako su aktivnosti uzoraka često vrlo velike u upotrebi je i veća jedinica, [[kiri]] (Ci). 1 Ci iznosi 3,7 • 10¹⁰ Bq.

Da bi se mjerila [[energija]], koju putem zračenja apsorbira određena tvar, koristi se jedinica [[grej]] (Gy). Omjer te energije i mase tijela koje ju apsorbira zove se [[apsorbirana doza]]. Ako se [[energija]] od 1 [[Džul|J]] apsorbira u 1 [[kilogram|kg]] tvari govorimo o apsorbiranoj dozi od 1 Gy. Ovako definirana doza ne govori ništa o biološkim učincima apsorbiranog zračenja. Svaka vrsta zračenja (α, β, γ) ima drugačiji utjecaj na žive stanice, koji se opisuje faktorom Q. Zato se definira [[ekvivalentna doza]], koju dobijemo tako da apsorbiranu dozu pomnožimo faktorom Q. Jedinica za ekvivalentnu dozu je [[sivert]] (Sv). <ref> [http://personal.unizd.hr/~mdzela/nastava/KTF.pdf] "Ionizirajuće zračenje u biosferi", Mile Dželalija, Kemijsko-tehnološki fakultet, Sveučilište u Splitu, 2011.</ref>