Лекция 2. Бета-излучение (b-частицы) – это поток электронов (позитронов), каждый из которых имеет заряд равный одному элементарному заряду

1.2. Свойства β - излучения

Бета-излучение (b -частицы) – это поток электронов (позитронов), каждый из которых имеет заряд равный одному элементарному заряду, 4,8×10^–10 электростатических единиц CGSE или 1,6·10^–19 кулона. Масса покоя b -частицы равна 1/1840 элементарной массы атома водорода, (в 7000 раз меньше массы α -частиц) или в абсолютных единицах 9,1×10^–28 г. Поскольку b -частицы движутся со скоростью значительно большей, чем α -частицы, равной» 0,988 (масса Эйнштейна) от скорости света, то их масса должна подсчитываться по релятивистскому уравнению:

(1.11)

где т_о – масса покоя (9,1·10^{-28 г);}

V - скорость β -частицы;

C - скорость света.

Для самых быстрых β -частиц m ≈ 16 m_o.

При испускании одной b -частицы порядковый номер элемента увеличивается (испускание электрона) или уменьшается (испускание позитрона) на единицу. Бета-распад обычно сопровождается g -излучением. Каждый радиоактивный изотоп испускает совокупность b -частиц весьма различной энергии, не превышающей, однако, определенной максимальной энергии, характерной для данного изотопа.

Спектры энергий b -излучения представлены на рис. 1.5, 1.6. Кроме непрерывного спектра энергий, для некоторых, радиоэлементов характерно наличие линейчатого спектра, связанного с вырыва­нием g-квантами вторичных электронов с электронных орбит атома (явление внутренней конверсии). Это происходит тогда, когда β -распад идет через промежуточный энергетический уровень, а возбуждение может сниматься не только путем испускания γ -кванта, но и путем выбивания электрона из внутренней оболочки.

Однако число b -частиц, отвечающих этим линиям, невелико.

Непрерывность бета-спектра объясняется одновременным испусканием b -частиц и нейтрино.

p = n + β⁺ + η (нейтрино)

n = p + β^- + η (антинейтрино)

Нейтрино принимает на себя часть энергии бета-распада.

Средняя энергия b -частицы равна 1/3. Е_макс и колеблется между 0,25–0,45 Е_макс для различ­ных веществ. Между величиной максимальной энергии Е_макс b -излучения и постоянной распада l элемента Сэрджентом установлено соотношение (для Е _макс > 0,5 Мэв),

l = k∙E⁵_макс (1.12)

Таким образом, и для β -излучения энергия β -частицы тем больше, чем меньше период полураспада. Например:

Pb²¹⁰ (RaD) T = 22 года, Е_max = 0,014 Mэв;

Bi²¹⁴ (RaC) T = 19,7 мес., Е_max = 3,2 Mэв.

1.2.1. Взаимодействие β -излучения с веществом

При взаимодействии β –частиц с веществом возможны следующие случаи:

а) Ионизация атомов. Она сопровождается характеристическим излучением. Ионизационная способность β -частиц зависит от их энергии. Удельная ионизация тем больше, чем меньше энергии β -частицы. Например, при энергии β -частицы 0,04 Mэв на 1 см пути образуется 200 пар ионов; 2 Mэв – 25 пар; 3 Mэв – 4 пары.

б) Возбуждение атомов. Оно характерно для β -частиц с большой энергией, когда время взаимодействия β -частицы с электроном мало и вероятность ионизации мала; в этом случае β -частица возбуждает электрон, энергия возбуждения снимается путем испускания характеристических рентгеновских лучей, а в сцинтилляторах – значительная часть энергии возбуждения проявляется в виде вспышки – сцинции (т.е.в видимой области).

в) Упругое рассеяние. Происходит тогда, когда электрическое поле ядра (электрона) отклоняет β -частицу, при этом энергия β -частицы не меняется, меняется только направление (на малый угол);

г) Торможение электрона в кулоновском поле ядра. При этом возникает электромагнитное излучение с тем большей энергией, чем большее ускорение испытывает электрон. Так как отдельные электроны испытывают различное ускорение, то спектр тормозного излучения – непрерывный. Потери энергии на тормозное излучение определяются выражением: соотношение потерь энергии на тормозное излучение к потерям на возбуждение и ионизацию:

(1.13)

(1.14)

Таким образом, потери и тормозное излучение существенны лишь для высоких энергий электрона с большими атомными номерами.

Для большинства β -частиц максимальная энергия лежит в пределах 0,014–1,5 Mэв, мы можем считать, что на 1 см пути β -частицы образуется 100 – 200 пар ионов. α -частица на 1 см пути образует 25 – 60 тысяч пар ионов. Поэтому мы можем считать, что удельная ионизационная способность β- излучения на два порядка меньше, чем у α-излучения. Меньше ионизация – медленнее теряется энергия, так как ионизационная способность (и вероятность возбуждения) β -частицы на 2 порядка меньше, значит и тормозится она на 2 порядка медленнее, т.е., приблизительно пробег β -частицы на 2 порядка больше, чем для α- частицы. 10 мг/см²·100 = 1000 мг/см² ≈ 1 г/см².

Дата добавления: 2014-01-14