Beta parchalanish nima

Beta-parchalanish (β-parchalanish) — radioaktiv parchalanish turi bo‘lib, kuchsiz o‘zaro ta’sir natijasida yuz beradi va yadro zaryadini bir birlikka o‘zgartiradi, bunda massa soni o‘zgarmaydi. Bu parchalanishda yadro quyidagilarni chiqaradi: elektron yoki pozitron (beta-zarracha), shuningdek, yarim butun qiymatli spinga ega neytral zarra (elektron antineytrinosi yoki elektron neytrinosi).

An’anaviy ravishda beta-parchalanishning ikki turi ajratiladi:

yadro (yoki neytron) elektron va antineytrino chiqaradi — «beta-minus-parchalanish» (β⁻).
yadro pozitron va neytrino chiqaradi — «beta-plyus-parchalanish» (β⁺).

Elektron chiqariladigan parchalanishda antineytrino, pozitron chiqariladigan parchalanishda esa neytrino hosil bo‘ladi. Buning sababi fundamental lepton zaryadining saqlanish qonunidir.

β⁻ va β⁺-parchalanishlardan tashqari, beta-o‘zgarishlarga elektronni tutib olish (e-tutib olish) ham kiradi. Bunda yadro elektronni tutib oladi. Elektron atomning elektron qobig‘idan olinadi va elektron neytrinosi chiqariladi.

Neytrino (antineytrino) elektron va pozitronlardan farqli ravishda modda bilan nihoyatda kuchsiz ta’sirlashadi hamda parchalanishda ajralishi mumkin bo‘lgan energiyaning bir qismini o‘zi bilan olib ketadi.

Parchalanish mexanizmi

β⁻-parchalanishda kuchsiz o‘zaro ta’sir natijasida neytron protonga aylanadi, bunda elektron va elektron antineytrinosi chiqariladi:

n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

.

Eng fundamental darajada (bu Feynman diagrammasida ko‘rsatilgan) jarayon d-kvarkning u-kvarkka aylanishi va virtual W⁻-bozon chiqarilishi bilan bog‘liq. Bu bozon o‘z navbatida elektron va antineytrinoga parchalanadi.

Erkin neytron ham β⁻-parchalanishga uchraydi (qarang: Neytronning beta-parchalanishi). Buning sababi neytron massasining proton, elektron va antineytrino massalari yig‘indisidan kattaligidir. Yadro tarkibidagi neytron ushbu yo‘l bilan faqat boshlang‘ich atomning massasi M_i oxirgi hosil bo‘lgan atomning massasidan M_f katta bo‘lsa (yoki umuman olganda, boshlang‘ich holatning to‘liq energiyasi mumkin bo‘lgan istalgan yakuniy holatning to‘liq energiyasidan katta bo‘lsa), parchalanishi mumkin. Ularning farqi (M_i − M_f)·c² = Q_β beta-parchalanishning mavjud energiyasi deb ataladi. U parchalanishdan keyin harakatlanayotgan zarralarning umumiy kinetik energiyasiga teng: elektron, antineytrino va hosil bo‘lgan yadro (qaytish yadrosi deb ataladi). Qaytish yadrosi qolgan ikki zarradan ancha og‘ir bo‘lgani uchun umumiy kinetik energiyaning juda kichik qismini olib ketadi. Agar qaytish yadrosining hissasi hisobga olinmasa, beta-parchalanishda ajraladigan mavjud energiya elektron va antineytrino o‘rtasida kinetik energiya ko‘rinishida taqsimlanadi. Bu taqsimot uzluksiz bo‘lib, har bir zarra uchun kinetik energiya 0 dan quyidagi maksimal qiymatgacha o‘zgaradi: Q_β. Energiyaning saqlanish qonuniga ko‘ra β⁻-parchalanish faqat quyidagi kattalik manfiy bo‘lmaganda mumkin: Q_β.

Agar neytron atom yadrosi ichida parchalansa, β⁻-parchalanishda hosil bo‘lgan atom odatda bir marta musbat zaryadlangan ion bo‘ladi. Chunki yadro zaryadi bir birlikka ortadi, elektron qobig‘idagi elektronlar soni esa o‘zgarmaydi. Bunday ionning elektron qobig‘i barqaror holati boshlang‘ich atomnikidan farq qilishi mumkin, shu sababli parchalanishdan keyin elektron qobig‘i qayta tuziladi va fotonlar chiqariladi. Bundan tashqari, bog‘langan holatga beta-parchalanish ham yuz berishi mumkin: bunda yadrodan chiqqan kam energiyali elektron qobiq orbitallaridan biriga tutib olinadi va hosil bo‘lgan atom neytral holatda qoladi.

β⁺-parchalanishda proton yadro ichida neytronga aylanadi; bunda pozitron hamda neytrino hosil bo‘ladi:

p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.

β⁻-parchalanishdan farqli ravishda, β⁺-parchalanish yadrodan tashqarida sodir bo‘la olmaydi, chunki erkin protonning massasi neytron massasidan kichik (proton massasi neytron, pozitron va neytrino massalari yig‘indisidan katta bo‘lgandagina bunday parchalanish yuz berishi mumkin edi). Proton β⁺-parchalanish orqali faqat yadro ichida, hosil bo‘ladigan yadroning bog‘lanish energiyasi mutlaq qiymati boshlang‘ich yadro bog‘lanish energiyasidan katta bo‘lganda parchalanishi mumkin. Bu ikki energiya orasidagi farq protonning neytron, pozitron va neytrinoga aylanishiga, shuningdek, hosil bo‘lgan zarralarning kinetik energiyasiga sarflanadi. Pozitronli parchalanishning energiya balansi quyidagicha ifodalanadi: (M_i − M_f − 2m_e)·c² = Q_β, bu yerda m_e — elektron massasi. β⁻-parchalanishdagi kabi, mavjud energiya Q_β pozitron, neytrino va qaytish yadrosi o‘rtasida taqsimlanadi (qaytish yadrosi energiyaning juda kichik qismini oladi). Pozitron va neytrinoning kinetik energiyalari uzluksiz ravishda 0 dan eng ko‘pi bilan Q_β gacha bo‘lgan qiymatlarni olishi mumkin; parchalanish faqat quyidagi kattalik manfiy bo‘lmaganda energetik jihatdan mumkin: Q_β.

Pozitronli parchalanishda hosil bo‘lgan atom manfiy bir zaryadli ion bo‘ladi, chunki yadro zaryadi bir birlikka kamayadi. Bu jarayonda hosil bo‘lgan pozitronning elektron qobig‘idagi elektronlardan biri bilan annigilyatsiyasi ham sodir bo‘lishi mumkin.

Agar β⁺-parchalanish energiya jihatidan mumkin bo‘lsa (proton elektron qobiqlarga ega yadro tarkibida yoki erkin elektronlar mavjud plazmada bo‘lsa), u bilan raqobatlashuvchi elektronni tutib olish jarayoni ham sodir bo‘ladi. Bunda atom elektroni yadro tomonidan yutilib, neytrino chiqariladi:

p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+{\nu }_{e}.

Ammo boshlang‘ich va yakuniy atomlar massalarining farqi kichik bo‘lsa (elektron massasining ikki baravaridan, ya’ni 1022 keV dan kichik bo‘lsa), elektronni tutib olish pozitronli parchalanishsiz kechadi; chunki bunday holda pozitronli parchalanish energiyaning saqlanish qonuniga ko‘ra taqiqlangan. Yuqorida ko‘rib chiqilgan elektronli va pozitronli beta-parchalanishdan farqli ravishda, elektronni tutib olishda mavjud energiyaning deyarli hammasini (qaytish yadrosining kinetik energiyasi va qobiqning qo‘zg‘alish energiyasi E_x bundan mustasno) bitta zarra — neytrino olib ketadi. Shu sababli neytrino spektri uzluksiz taqsimotdan iborat bo‘lmaydi; u energiyasi quyidagi qiymatga yaqin bo‘lgan monoenergetik chiziqdan iborat: Q_β.

Proton va neytron atom yadrosi tarkibida bo‘lganda, beta-parchalanish jarayonlari bir kimyoviy elementni Mendeleyev jadvalidagi qo‘shni elementga aylantiradi. Masalan:

\mathrm {^{137}_{55}Cs} \rightarrow \mathrm {^{137}_{56}Ba} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

(

\beta ^{-}

-parchalanish, parchalanish energiyasi 1175 keV),

\mathrm {~_{11}^{22}Na} \rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +e^{+}+{\nu }_{e}

(

\beta ^{+}

-parchalanish),

\mathrm {~_{11}^{22}Na} +e^{-}\rightarrow \mathrm {~_{10}^{22}Ne} +{\nu }_{e}

(elektronni tutib olish).

Beta-parchalanish yadrodagi nuklonlar sonini, ya’ni A, o‘zgartirmaydi, faqat zaryadini Z (shuningdek, neytronlar sonini N) o‘zgartiradi. Shunday qilib, A bir xil, ammo Z va N turlicha bo‘lgan barcha nuklidlar to‘plamini (izobar zanjirni) ajratish mumkin. Bu izobar nuklidlar beta-parchalanish orqali ketma-ket bir-biriga aylanishi mumkin. Ularning ayrimlari (kamida bittasi) beta-barqaror bo‘ladi, chunki ular massa ortiqchaligining lokal minimumlariga mos keladi: agar bunday yadroning (A, Z) qiymatlari bo‘lsa, unga qo‘shni (A, Z − 1) va (A, Z + 1) yadrolarda massa ortiqchaligi kattaroq bo‘ladi va ular beta-parchalanish orqali (A, Z) ga aylanishi mumkin, ammo teskari jarayon sodir bo‘lmaydi. Shuni ta’kidlash kerakki, beta-barqaror yadro boshqa radioaktiv parchalanish turlariga (masalan, alfa-parchalanishga) uchrashi mumkin. Yerda tabiiy sharoitda mavjud izotoplarning ko‘pchiligi beta-barqaror, biroq bir nechta istisno bor: ularning yarim yemirilish davrlari shunchalik uzunki, ular 4,5 milliard yil avval sodir bo‘lgan nukleosintezdan beri yo‘qolib ketishga ulgurmagan. Masalan, ⁴⁰K beta-parchalanishning barcha uch turiga (beta-minus, beta-plyus va elektronni tutib olish) uchraydi; uning yarim yemirilish davri 1,277⋅10⁹ yil.

Beta-parchalanishni g‘alayon ta’sirida yuz beradigan ikkita kvant-mexanik holat orasidagi o‘tish deb qarash mumkin. Shu sababli u Fermining oltin qoidasiga bo‘ysunadi.

Hosil bo‘ladigan zarralar spinlarining yo‘nalishiga qarab beta-parchalanishning ikki turi farqlanadi. Agar beta-parchalanishda hosil bo‘lgan elektron va antineytrino spinlari parallel yo‘nalgan bo‘lsa (beta-minus-parchalanish misolida), Gamov — Teller turidagi o‘tish sodir bo‘ladi. Agar elektron va antineytrino spinlari qarama-qarshi yo‘nalgan bo‘lsa, Fermi turidagi o‘tish yuz beradi (qarang: Fermi o‘zaro ta’siri).

Kyuri grafigi

Kyuri grafigi (Fermi grafigi deb ham ataladi) — beta-parchalanishni o‘rganishda ishlatiladigan diagramma. U muayyan energiyada chiqarilgan beta-zarralar sonining kvadrat ildizini Fermi funksiyasiga bo‘lish natijasining energiyaga bog‘liqligini ko‘rsatadi. Ruxsat etilgan (va ayrim taqiqlangan) beta-parchalanishlarda Kyuri grafigi chiziqli bo‘ladi (energiya ortishi tomon qiya to‘g‘ri chiziq). Agar neytrinolarning massasi noldan farq qilsa, Kyuri grafigi energiya o‘qi bilan kesishish nuqtasi yaqinida to‘g‘ri chiziqdan og‘adi. Bu esa neytrino massasini o‘lchash imkonini beradi.

Qo‘sh beta-parchalanish

Ba’zi yadrolar qo‘sh beta-parchalanish (ββ-parchalanish) jarayoniga uchrashi mumkin, bunda yadro zaryadi bir emas, ikki birlikka o‘zgaradi. Amaliy jihatdan eng qiziqarli hollarda bunday yadrolar beta-barqaror bo‘ladi (ya’ni oddiy beta-parchalanish energiya jihatidan taqiqlangan), chunki β- va ββ-parchalanishning ikkisi ham mumkin bo‘lganda, β-parchalanish ehtimoli (odatda) ancha yuqori bo‘ladi va bu juda kam uchraydigan ββ-parchalanishlarni o‘rganishga xalal beradi. Shuning uchun ββ-parchalanish odatda faqat beta-barqaror yadrolarda o‘rganiladi. Oddiy beta-parchalanish kabi, qo‘sh beta-parchalanish ham A ni o‘zgartirmaydi; demak, muayyan A qiymatiga ega nuklidlardan kamida bittasi oddiy hamda qo‘sh beta-parchalanishga nisbatan barqaror bo‘lishi kerak.

Tarix

Tarixan beta-parchalanishni o‘rganish neytrino mavjudligining dastlabki fizik dalillarini taqdim etdi. 1914-yilda J. Chedvik tajriba orqali beta-parchalanishda chiqariladigan elektronlarning energiyalari diskret emas, balki uzluksiz spektrga ega ekanini ko‘rsatdi. Bu energiyaning saqlanish qonuniga yaqqol ziddek ko‘rinardi, chunki beta-parchalanish jarayonida energiyaning bir qismi yo‘qolayotgandek edi. Ikkinchi muammo shundan iborat ediki, azot-14 atomining spini 1 ga teng edi, holbuki Rezerford bashoratiga ko‘ra u ½ bo‘lishi kerak edi. 1930-yilda, Volfgang Pauli yozgan mashhur maktubida atom tarkibida elektron va protonlardan tashqari juda yengil neytral zarra ham borligini taxmin qildi va uni neytron deb atadi. Uning fikricha, bu «neytron» beta-parchalanishda chiqarilar, ilgari esa shunchaki kuzatilmagan edi. 1931-yilda Enriko Fermi Paulining «neytron»ini neytrino deb qayta nomladi va 1934-yilda Fermi juda muvaffaqiyatli beta-parchalanish modelini e’lon qildi. Ushbu modelda neytrino ham ishtirok etgan.

Pozitronli beta-parchalanish jarayonini 1934-yilda F. Jolio-Kyuri va I. Jolio-Kyuri kashf etdi. Elektronni tutib olish hodisasini esa birinchi marta 1937-yilda L. Alvares aniqladi.

Adabiyotlar

Vu S. S., Moshkovskiy S. A. Beta-parchalanish. — M.: Atomizdat, 1970. — 397 bet.
Malyarov V. V. Atom yadrosi nazariyasi asoslari. — M.: Fizmatlit, 1959. — 471 bet. — 18 000 nusxa.
Chellen G. Elementar zarralar fizikasi. — M.: Nauka, 1966. — 556 bet. — 8000 nusxa.
Solovyov V. G. Atom yadrosi nazariyasi: Kvazizarralar va fononlar. — Energoatomizdat, 1989. — Bet. 103, 111, 112, 123, 138, 147, 208, 274, 288. — 304 bet. — ISBN 5-283-03914-5.
Yerozolimskiy B. G. Neytronning beta-parchalanishi. UFN. 1975. 116-jild. 145–164-betlar