Beta-zarracha nima

Beta-zarrachalar (ingl. beta particles, nem. Betateilchen, β-zarrachalar) — elektronlar va pozitronlar, ya’ni ba’zi atom yadrolaridan uchib chiqadigan, ayrim radioaktiv moddalar parchalanganda hosil bo‘ladigan zarrachalardir. Bu jarayon beta-parchalanish deb ataladi. Beta-zarrachalarning harakat yo‘nalishi magnit va elektr maydonlari ta’sirida o‘zgaradi. Bu ularning elektr zaryadiga ega ekanini ko‘rsatadi. Elektronlarning tezligi yorug‘lik tezligining 0,998 qismigacha yetishi mumkin. Beta-zarrachalar ionlashtirish xususiyatiga ega; gazlar ularning ta’sirida ionlashadi. Ular ko‘plab moddalarda lyuminessensiyani yuzaga keltiradi, fotoplyonkaga ham ta’sir ko‘rsatadi. Beta-zarrachalar oqimi beta-nurlanish deb ataladi.

Beta-zarrachalar elektr zaryadiga ega bo‘lgani uchun modda bilan butun harakat yo‘li davomida kuchli o‘zaro ta’sirlashadi. Ularning ortida iz — ionlashgan atomlar va molekulalar qoladi. Zarrachalar Vilson kameralari va pufakchali kameralarda magnit maydonida qayd etilganda iz egri shaklga kiradi. Bu beta-zarrachalarni zaryadning massaga nisbatiga ko‘ra aniqlash imkonini beradi.

Parchalanish vaqtida beta-zarrachalar chiqaradigan 1500 dan ortiq atom yadrosi ma’lum.

Tarixi

Radioaktiv nurlanish Anri Bekkerel tomonidan 1896-yilda kashf etilgach, uni faol o‘rganish boshlandi. 1899-yilda Ernest Rezerford turli xil zarrachalar nurlanishini ko‘rsatgan ilmiy ishini e’lon qildi. U o‘tish qobiliyati past bo‘lgan og‘ir, musbat zaryadli zarrachalarni alfa-nurlanish deb, moddada bosib o‘tadigan masofasi ularnikidan yuz baravar katta bo‘lgan yengil, manfiy zaryadli zarrachalarni esa beta-nurlanish deb atadi. 1900-yilda Bekkerel beta-zarrachalar zaryadining massasiga nisbatini o‘lchab, ularning elektronlar ekanini ko‘rsatdi.

1930-yilda beta-parchalanish nazariyasini ishlab chiqish jarayonida, Enriko Fermi beta-zarrachalar yadroda avvaldan mavjud bo‘lmay, neytron parchalanganda hosil bo‘ladi, deb taxmin qildi. Keyinchalik Fermi nazariyasi zamonaviy kuchsiz o‘zaro ta’sir nazariyalariga asos bo‘ldi.

Beta-zarrachalarning turlari

Beta-parchalanishning ikki turi mavjud. Shunga mos ravishda ikki turdagi beta-zarrachalar hosil bo‘ladi:

β ^--zarracha — elektron. Neytron quyidagi sxema bo‘yicha parchalanganda hosil bo‘ladi: $n\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}$ , bu yerda n — neytron, p ⁺ — proton, e ^- — elektron, ${\bar {\nu }}$ — antineytrino. Erkin neytronlar ham, neytronlari ortiqcha bo‘lgan ko‘plab tabiiy izotoplar ham shu sxema bo‘yicha parchalanadi.
β ⁺-zarracha — pozitron. U proton parchalanganda quyidagi sxema bo‘yicha hosil bo‘ladi: $p^{+}\rightarrow n+e^{+}+\nu$ . Og‘ir yadrolar shu sxema bo‘yicha parchalanadi.

Nurlanish manbalari

Beta-zarrachalar bevosita virtual zaryadlangan W^--bozonning elektron va antineytrinoga parchalanishi natijasida hosil bo‘ladi. Bu bozon esa neytron tarkibidagi d-kvarkning u-kvark va W ^--bozonga aylanishi jarayonida paydo bo‘ladi. Pozitronli parchalanishda esa zaryadlar ishorasi teskari bo‘ladi: proton tarkibidagi u-kvark d-kvark va W⁺-bozonni hosil qiladi, bu bozon esa pozitron va neytrinoga parchalanadi.

Beta-parchalanishda beta-zarrachalardan tashqari ko‘pincha gamma-kvantlar ham hosil bo‘ladi. Shu sababli amaliyotda faqat beta-nurlanish chiqaradigan sof beta-manbalardan kengroq foydalaniladi. Ularga quyidagi nuklidlar kiradi:

va boshqalar.

Beta-zarrachalar manbalari konstruktiv jihatdan radioaktiv izotop joylashtirilgan va zarrachalar chiqishi uchun teshigi bo‘lgan kapsulalardan iborat.

Spektr

Spektrida yaqqol cho‘qqilar kuzatiladigan alfa-zarrachalardan farqli o‘laroq, beta-zarrachalar spektri uzluksiz bo‘ladi. Buning sababi shundaki, W-bozon parchalanganda energiya ikki mahsulot o‘rtasida turlicha taqsimlanishi mumkin. Natijada neytrino va elektron energiyalarining har qanday kombinatsiyasi yuzaga keladi. Beta-zarrachaning maksimal energiyasi parchalanish turiga bog‘liq bo‘lib, [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m_e]c ² — β^- uchun va [M (A, Z) -M (A, Z-1) -m_e]c ² — β⁺ uchun ifodalarga teng. Bu yerda M (A, Z) — atom raqami Z, yadrosidagi nuklonlar soni A bo‘lgan nuklid yadrosining massasi.

Beta-zarrachalarning maksimal energiyasi 18,6 kiloelektronvolt (tritiy parchalanishi) dan 20 MeV (litiy-11 parchalanishi) gacha o‘zgaradi

Beta-zarrachalar energiyalari spektri Kulon kuchlari ta’sirida ham siljiydi: bu kuchlar elektronlarni sekinlashtiradi, pozitronlarni esa tezlashtiradi.

Beta-zarrachalar energiyalarining muayyan spektri quyidagi tenglama bilan ifodalanadi:

N(\gamma )d\gamma =G^{2}|m|^{2}f(Z,\gamma )(\gamma _{0}-\gamma )^{2}(\gamma ^{2}-1)^{1/2}\gamma d\gamma

bu yerda γ — mc^2, birliklarida ifodalangan energiya, ya’ni E/mc², N (γ) dγ — vaqt birligida energiyasi γ bo‘lgan beta-zarrachalarni chiqaruvchi yadrolar ulushi, f (Z, γ) — Kulon kuchlarining zarrachaga ta’sirini ifodalovchi funksiya, | m |² — matritsa elementi kvadrati bo‘lib, parchalanish ehtimolini belgilaydi, γ₀ — parchalanishning chegaraviy energiyasi, G esa ma’lum bir doimiy kattalikdir.

Ba’zi hollarda beta-parchalanish yadroning qo‘zg‘algan holatga o‘tishi bilan kechadi va keyinchalik bu energiya atomning elektron qobig‘idagi elektronlarga uzatiladi. Bu hodisa ichki konversiya deb ataladi. Bunday vaziyatda beta-zarrachalar spektrida bir nechta yaqqol cho‘qqi kuzatiladi.

Beta-zarrachalarning energiya spektri beta-spektrometr yordamida o‘rganiladi.

Modda bilan o‘zaro ta’siri

O‘rtacha bosib o‘tish masofasi

Beta-zarrachalar to‘liq to‘xtaguniga qadar moddadagi elektronlar va yadrolar bilan o‘zaro ta’sirlashadi. Ularning bosib o‘tish masofasi energiyasiga bog‘liq. Samarali o‘tish masofasi (deyarli barcha zarrachalarni to‘xtatadigan modda qatlamining qalinligi) jadvalda ko‘rsatilgan:

modda	0,05 MeV	0,5 MeV	5 MeV	50 MeV
modda	β-zarrachaning bosib o‘tish masofasi, sm
havo	4,1	160	2000	17000
suv	4,7 · 10 ⁻³	0,19	2,6	19
alyuminiy	2 · 10 ⁻³	0,056	0,95	4,3
qo‘rg‘oshin	5 · 10 ⁻⁴	0,02	0,3	1,25

Aksariyat hollarda beta-zarrachalardan himoyalanish uchun qalinligi 1-2 santimetr bo‘lgan organik shisha ekran yoki qalinligi 3-5 millimetr bo‘lgan metall plastina yetarli.

Elektron qobiqlar bilan o‘zaro ta’sirlashuv

Beta-zarracha atomlar bilan to‘qnashganda ularni ionlashtirishi yoki qo‘zg‘algan holatga o‘tkazishi mumkin. Har ikki hodisaning ehtimoli taxminan bir xil. Bunda yo‘qotilgan energiya ionlashuvdagi energiya yo‘qotishlari deb ataladi.

Elektron oddiy modda qatlamidan o‘tganda energiyaning o‘rtacha yo‘qotilishini quyidagi formula bilan ifodalash mumkin. Uni Landau ishlab chiqqan:

\Delta E=0,6\rho (Z/A)\Delta x/\beta ^{2}

,

Bu yerda Δx — modda qatlamining qalinligi, ρ — modda zichligi, β — elektronning c birliklaridagi tezligi, Z va A esa elementning zaryadi va massasidir.

Biroq bu formulani haqiqiy beta-zarrachalarga qo‘llashda ehtiyot bo‘lish kerak. Chunki u bir xil energiyaga ega elektronlarning monoxromatik dastasini tavsiflaydi, tabiiy elektronlar dastasida esa energiyasi turlicha va turli tezlikda sekinlashadigan elektronlar bo‘ladi.

Atom yadrolari bilan o‘zaro ta’sirlashuv

Elektronlar yadro bilan o‘zaro ta’sirlashganda uning Kulon maydonida bir yoki ko‘p marta sochilishi mumkin. Beta-zarrachalarning o‘ziga xos xususiyati shundaki, massasi kichikligi sabab sochilish paytida ularning impulsi keskin o‘zgarishi mumkin. Bu esa tormozlanish nurlanishiga olib keladi. Yuqori energiyali elektronlar uchun bunday nurlanish energiyani yo‘qotishning muhimroq yo‘lidir. Chiqarilgan gamma-kvantlar ham elektronlarni urib chiqarishi va moddada elektronlar kaskadini hosil qilishi mumkin. Nurlanish tufayli energiya yo‘qotishlari ionlashuvdagi yo‘qotishlarga tenglashadigan beta-zarracha energiyasi kritik energiya deb ataladi. Moddaga qarab kritik energiya 83 MeV (havo) dan 7 MeV (qo‘rg‘oshin) gacha bo‘lishi mumkin. Beta-parchalanishda hosil bo‘ladigan zarrachalar energiyasi kamdan-kam hollarda 5 MeV dan oshgani uchun bu energiya yo‘qotish yo‘li asosiy hisoblanmaydi.

Yadrolarda sochilishi natijasida beta-zarrachalar harakat yo‘nalishini sezilarli darajada o‘zgartiradi: ularning o‘rtacha og‘ish burchagi bosib o‘tilgan modda qatlami qalinligining kvadrat ildiziga mutanosib bo‘ladi. Qatlam yetarlicha qalin bo‘lsa, elektronlarning muayyan harakat yo‘nalishi haqida gapirish qiyinlashadi va ularning siljishi ko‘proq diffuziyaga o‘xshaydi.

Cherenkov nurlanishi

Beta-zarrachalar tezligi, odatda, yorug‘lik tezligiga yaqin bo‘ladi. Shaffof muhitga kirganda ular shu muhitdagi yorug‘lik tezligidan tezroq harakatlanadi va buning natijasida Cherenkov nurlanishi yuzaga keladi. Bunday nurlanish, masalan, neytronlarni sekinlashtirish uchun suvdan foydalaniladigan yadro reaktorlariga xosdir.

Teskari sochilish

Beta-zarrachalar ayrim materiallarning yuzasiga tushganda ularning bir qismi katta burchak ( > 90 °) ostida qaytadi. Bu hodisa teskari sochilish deb ataladi. Modda yuzasiga tushib, katta burchak ostida qaytgan zarrachalarning ulushi teskari sochilish koeffitsiyenti deyiladi. Bu koeffitsiyent moddaning atom raqami, tushayotgan zarrachalar energiyasi va modda qatlami qalinligiga sifat jihatidan quyidagicha bog‘liq:

Yadro zaryadining 2/3 darajasiga mutanosib ravishda ortadi.
Modda qatlami qalinlashgani sari ortib boradi. Qalinlik shu moddada beta-zarrachalarning samarali bosib o‘tish masofasining taxminan 1/5 qismiga yetgach, qatlamning yanada qalinlashishi koeffitsiyentga ta’sir qilmaydi. Bunday qalinlik to‘yinish qalinligi deb ataladi.
Beta-zarrachalarning maksimal energiyasi 0,6 MeV gacha oshganda koeffitsiyent ham ortadi, undan keyin esa deyarli o‘zgarmaydi.

Beta-zarrachalarni aniqlash

Beta-zarrachalarni aniqlashning asosiy usuli ular hosil qiladigan ionlashuvni o‘lchashdir. Nisbatan past energiyali zarrachalarni aniqlash uchun gaz bilan to‘ldirilgan hisoblagichlardan (masalan, Geyger–Myuller hisoblagichi) yoki qattiq jismli hisoblagichlardan foydalaniladi. Yuqoriroq energiyali elektronlar esa ular hosil qiladigan Cherenkov nurlanishini qayd etuvchi hisoblagichlar yordamida aniqlanadi.

Qo‘llanilishi

Beta-terapiya

Beta-zarrachalar tibbiyotda beta-parchalanishda hosil bo‘ladigan elektronlar bilan nurlantirish uchun qo‘llanadi. Beta-terapiya nur terapiyasining bir turi bo‘lib, o‘smalar va to‘qimalardagi boshqa patologik o‘zgarishlarni davolashda ishlatiladi. Beta-terapiyaning bir nechta shakli mavjud: nurlantiruvchi applikatorlar tananing zararlangan qismlariga qo‘yilishi yoki nurlanuvchi izotoplar saqlagan eritmalar tana bo‘shliqlariga yuborilishi mumkin.

Yupqa qatlamlar qalinligini o‘lchash

Teskari sochilish hodisasi yordamida qog‘oz kabi yupqa modda qatlamlarining qalinligini juda aniq o‘lchash mumkin. Ma’lum bir qalinlikkacha qaytgan elektronlar soni qatlam qalinligiga mutanosib ravishda ortadi. Bunday o‘lchashlarni moddada yutilgan beta-zarrachalar ulushini aniqlash orqali ham bajarish mumkin. Teskari sochilish yordamida qoplamaning qalinligini unga zarar yetkazmasdan ham o‘lchash mumkin.

Yoritish

Beta-zarrachalar lyuminofor bilan qoplangan yuzaga tushganda yorug‘lik chiqarishiga sabab bo‘ladi. Shu xususiyatdan juda uzoq xizmat qiladigan yorug‘lik manbalarini yaratishda foydalaniladi: oz miqdordagi radioaktiv izotop (masalan, tritiy) yorug‘lik manbai bo‘ladigan yuzaga surtiladi va ustidan lyuminofor bilan qoplanadi. Izotop chiqaradigan beta-zarrachalar yuzaning o‘nlab yillar davomida yorug‘lik taratishini ta’minlaydi. Soatlar va boshqa asboblarning ko‘rsatkichlari ko‘pincha shu usulda yoritiladi.

Organizmga ta’siri

Kiyim beta-zarrachalarni yaxshi to‘sadi, shuning uchun ular, avvalo, teriga yoki organizm ichiga tushganda xavf tug‘diradi. Masalan, Chernobil halokatidan keyin yalangoyoq yurgan odamlar oyoqlarida beta-nurlanishdan kuyish jarohatlari olgan.

Beta-nurlanishning organizmga asosiy ta’sir omili uning ionlashtirish xususiyatidir. Bu hujayradagi moddalar almashinuvini buzishi va keyinchalik hujayraning nobud bo‘lishiga olib kelishi mumkin. Beta-zarracha energiyasi DNK molekulasi yaqinida ajralib chiqishi ayniqsa xavfli, chunki bu saraton xavfini oshirishi mumkin bo‘lgan mutatsiyalarni yuzaga keltiradi. Nurlanishning katta dozalarida to‘qimalardagi ko‘p sonli hujayralarning bir vaqtning o‘zida nobud bo‘lishi patologik o‘zgarishlarga (nurlanish kasalligi) sabab bo‘lishi mumkin. Nurlanishga ayniqsa shilliq pardalar va qon hosil qiluvchi a’zolar sezgir. Nerv hujayralarining tiklanish qobiliyati past bo‘lgani uchun ularning nobud bo‘lishi xavflidir. Tashqi beta-nurlanish ko‘pincha teri saratonini, ayniqsa melanomalarni keltirib chiqaradi.

Beta-nurlanishning nisbiy biologik samaradorligi birga teng (taqqoslash uchun, alfa-zarrachalarda bu ko‘rsatkich 20 ga teng). Buning sababi beta-zarracha olib yuradigan energiyaning nisbatan kichikligidir.

Bundan tashqari, gamma-kvantlar beta-zarrachalar moddada harakatlanganda hosil bo‘ladigan tormozlanish nurlanishining tarkibiy qismi sifatida ancha yuqori kirib borish qobiliyatiga ega bo‘ladi. Shu sababli ular qo‘shimcha xavf tug‘dirishi mumkin.

Delta va epsilon-nurlanish

Zarrachalari elektronlardan iborat bo‘lgan boshqa nurlanish turlari ham mavjud.

Ionlashuv paytida boshqa zarrachalar atomlardan urib chiqaradigan elektronlar delta-nurlanish deb ataladigan nurlanishni hosil qiladi. Delta-zarrachalar (yoki delta-elektronlar) ham beta-zarrachalar singari elektronlardir. Biroq ularning energiyasi kamdan-kam hollarda 1 keV dan oshadi va energiya spektri beta-zarrachalarnikidan farq qiladi. Delta-elektronlar ham boshqa elektronlarni urib chiqarib, uchlamchi ionlashuvni yuzaga keltirishi mumkin. Delta-zarrachalar urib chiqargan elektronlar epsilon-zarrachalar deb ataladi.