Бета-честица

Бета (минус) распад

Знак за опасност од радиоактивности

Алфа-зрачење може зауставити папир; бета-зрачење може зауставити алуминијски лим дебео неколико милиметара; а већину гама-зрачења може зауставити десетак центиметара дебела оловна плоча.

Електронски ухват

Бета-честица је брзи електрон или позитрон који настаје при распаду атомских језгри неких радиоактивних елемената (тзв. бета распад). Струја емитираних бета-честица позната је и као бета-зраке или бета-зрачење. Бета-честице су врста ионизирајућег зрачења, које има довољно енергије да у међудјеловању с кемијском твари ионизира ту твар. У међудјеловању с твари долази до измјене енергије и измјене структуре озрачене твари. Такве посљедице могу бити корисне, али и врло штетне.

Повијест

Већ 1900. било је познато да један дио радиоактивног зрачења може да скреће у магнетском пољу. Ернест Рутхерфорд је на основу испитивања пролаза радиоактивних зрака кроз танке листиће алуминија утврдио да код зрачења уранијевих спојева постоје двије врсте зрака. Ону врсту зрака које не могу да прођу кроз алуминијску плочицу дебљине 0,02 мм назвао је алфа-честицама, а ону врсту која је пролазила и кроз дебље слојеве назвао је бета-честицама. Исте године француски знанственик Паул Виллард је открио и трећу врсту радиоактивног зрачења, за коју се утврдило да има велику продорну моћ и да не скреће у магнетском пољу, а назване су гама-честицама. На основу скретања у магнетском пољу, утврдено је да алфа-честице имају позитивни електрични набој, а бета-честице негативан електрични набој.

1908. су Рутхерфорд и Ханс Геигер мјерењем утврдили да алфа-честице имају двоструки електрични набој, а да им је маса једнака четверострукој маси атома водика. Када алфа-честица привуче два електрона, она прелази у атом хелија. Из тога је Рутхерфорд закључио да су алфа-честице уствари иони хелија или само атомска језгра хелија. За бета-честице се утврдило да се у магнетном и електричном пољу понашају исто као и катодне зраке или електрони. То значи да су бета-честице уствари електрони великих брзина, али за разлику од електрона у електронском омотачу атома, настају из атомске језгре.

Бета (минус) и бета (плус) распад

За разлику од алфа распада, код бета распада, при којем атомска језгра зрачи електрон или позитрон, не долази до промјене атомске масе, већ се само атомски број повећа или смањи за један или атомска језгра се претвори (трансмутира) у нови кемијски елемент, који је слиједећи или претходни редни број у периодном суставу елемената.

Осим тога, покуси су показали да електрони који настају приликом бета распада имају различите брзине, од нуле до одређене максималне вриједности, а то значи да имају непрекинуту или континуирану расподјелу енергије. Сличан непрекинути спектар показује и позитрон, који настаје код бета (плус) распада. Када говоримо о бета-честицама, онда мислимо и на бета (минус) - честице и бета (плус) – честице.

Будући да, према квантној теорији, атомска језгра има одређене разине енергије или кванте енергије, онда би и бета-честице требале имати одређену разину или квант енергије, а не непрекинути спектар енергија. Из тога можемо закључити да енергија бета-честица не настаје због прелаза из једне енергетске разине у другу. Према томе, бета распад не удовољава закону о очувању енергије, а покуси су показали да и не задовољава закон о очувању момента количине гибања. Покуси су довели у сумњу основне законе градње атомског језгра.

Неутрино

Wолфганг Паули је дошао до закључка да би требало претпоставити постојање једне нове неутралне честице, која би заједно зрачила с електроном при бета (минус) распаду, чија је маса мања од масе електрона у стању мировања. Ову честицу је Wолфганг Паули назвао неутрино, што на талијанском језику значи нешто што је мало и неутрално. Према овој претпоставци излази да је настала енергија при бета распаду расподјељена на електрон и неутрино, тако да би био задовољен закону о очувању енергије. Претпоставка је била и да неутрино односи и спин од 1/2, тако да и укупна вриједност момента количине гибања би била једнака 0 или, чиме би био задовољен и закон о очувању момента количине гибања.

На основу претпоставки Wолфганга Паулија, Енрицо Ферми је разрадио теорију бета распада. По њој атомска језгра не садржи слободне електроне и позитроне, већ само протоне и неутроне (нуклеони). Електрони и позитрони које емитира атомска језгра, настају једино код бета распада, услијед претворбе неутрона у протоне и протона у неутроне, слично као што у атому нема фотона, него они настају само приликом преласка атома из једног енергетског стања у друго. Могућност настанка бета-честица је условљено стабилношћу атомске језгре. Енергија која настаје приликом бета распада распоредује се на бета-честице и електроне, односно позитроне. По тој теорији постоје двије врсте неутрина: неутрино и антинеутрино.

Неутрино је откривен тек 1956., а открио га је амерички физичар Цлyде Цоwан, приликом проучавања нуклеарних реакција у нуклеарном реактору. Јапански физичар Хидеки Јукава са сурадницима је предвидио 1936., да атоми богати протонима у атомском језгру, могу ухватити електрон из прве К-љуске електронског омотача, чиме би се протон промијенио у неутрон, уз истовремено зрачење неутрина, што се назива електронски ухват.

Својства бета-честица

Брзина бета-честица је различита за радиоактивне елементе или радионуклиде, а може износити од 75 000 до 298 000 км/с, а то значи од 25% до 99% брзине свјетлости. Највећа брзина је измјерена код бета распада радија-226 и износи 99% брзине свјетлости. Како се брзина неких бета-честица приближава брзинама свјетлости, тако им се и маса повећава према посебној теорији релативности. Покуси су показали да маса електрона постаје то већа, како им се брзина повећава, или да су масе брзих електрона веће од њихових маса у мировању. То је био уједно и доказ посебне теорије релативности.

Енергије бета-честица дају непрекинути или континуирани спектар енергија и износе од 0,025 до 3,15 MеВ. Постоји и мањи дио бета-честица које настају накнадним дјеловањем у електронском омотачу електрона и оне дају линијски спектар енергије. Истраживања су показала да бета-честице имају пуно мању способност ионизације плинова од алфа-честица, али су им домети пуно већи, и до неколико метара (алфа-честице имају домет неколико центиметара). Бета-честице могу продријети кроз оловни лим дебљине 1 мм, али их алуминијски лим дебљине 3 мм упија (апсорбира). Код пролаза бета-честица кроз неку твар може настати и закочно рендгенско зрачење (њем. бремсстрахлунг).

Бета (минус) распад или електронско зрачење (β⁻)

Нестабилне атомске језгре које имају вишак неутрона могу спонтано остварити бета (минус) распад, гдје се неутрон распада у протон, уз зрачење електрона и антинеутрина (електронски антинеутрино или античестица неутрина):

н → п + е^- + ν_е'

Бета (минус) распад настаје због дјеловања слабе нуклеарне силе. Тај поступак се обично јавља у нуклеарним реакторима, ако у нуклеарном гориву има нестабилних атомских језгри с вишком неутрона.

Бета (плус) распад или позитронско зрачење (β⁺)

Нестабилне атомске језгре које имају вишак протона могу спонтано остварити бета (плус) распад, гдје се протон распада у неутрон, уз зрачење позитрона и неутрина (електронски неутрино или античестица неутрина):

п → н + е⁺ + ν_е

Бета (плус) распад се може догодити само унутар атомског језгра, којем је нуклеарна енергија везања новонасталог кемијског елемента или изотопа већа од нуклеарне енергије везања кемијског елемента из којег је радиоактивни распад започео.

Примјена

Бета-честице се могу користити за лијечење очију и рака костију. Бета-честице се најчешће добијају из изотопа стронција-90. У испитивању материјала користе се и за мјерење дебљине танких материјала, као што је папир. Бета-честице се користе и за стварање бета свјетлости, која настаје озрачивањем триција и флуоресцентне твари. Бета (плус) распад се користи у томографији позитронским зрачењем (енгл. поситрон емиссион томограпхy - ПЕТ сцан).

Утјецај бета зрачења на живе организме

Свијет у којем живимо радиоактиван је од свог постанка. Постоји око 60 радионуклида (радиоактивних елемената), које можемо пронаћи у тлу, зраку, води, храни, а тиме и у свим живим бићима. По томе како су настали дијеле се на оне који су одувијек присутни на Земљи, оне који настају као посљедица дјеловања козмичких зрака, те оне који су посљедица људске технологије.

У првој су скупини радиоактивни елементи попут уранија-235, уранија-238, торија-232, радија-226, радона-222 или калија-40. Они потјечу још из времена стварања Земље, а карактеризира их врло дуго вријеме полураспада, чак и до милијарду година (изнимка је плин радон, чији је полуживот 3,8 дана). Козмичко зрачење нас непрестано погађа. Извор му је углавном изван нашег Сунчевог сустава, а састоји се од разних облика зрачења: од врло брзих тешких честица, па до високоенергијских фотона и миона. Оно међудјелује с атомима у горњим слојевима атмосфере и тако производи радионуклиде, који су најчешће краћих времена полуживота. То су, на примјер, угљик-14, трициј, берилиј-7 и други.

Људи су својим дјеловањем, поглавито развојем нуклеарних реактора и тестирањем нуклеарног оружја, створили још неке радиоактивне елементе, попут стронција-90, јода-129, јода-131, цезија-137, плутонија-239 итд.

Мјерне јединице ионизирајућег зрачења

Активност радиоактивног узорка мјери се у бекерелима (Бq). Активност од 1 Бq значи један распад атомске језгре у секунди. Како су активности узорака често врло велике у употреби је и већа јединица, кири (Ци). 1 Ци износи 3,7 • 10¹⁰ Бq.

Да би се мјерила енергија, коју путем зрачења апсорбира одређена твар, користи се јединица греј (Гy). Омјер те енергије и масе тијела које ју апсорбира зове се апсорбирана доза. Ако се енергија од 1 Ј апсорбира у 1 кг твари говоримо о апсорбираној дози од 1 Гy. Овако дефинирана доза не говори ништа о биолошким учинцима апсорбираног зрачења. Свака врста зрачења (α, β, γ) има другачији утјецај на живе станице, који се описује фактором Q. Зато се дефинира еквивалентна доза, коју добијемо тако да апсорбирану дозу помножимо фактором Q. Јединица за еквивалентну дозу је сиеверт (Св).