Ядерные распады: 4. Бета-распад

Бета-распад ядра углерода-14. Вылетающее при распаде антинейтрино не показано. Изображение с сайта ck12.org

Альфа-распад — это довольно простой процесс: простая перегруппировка протонов и нейтронов в новые ядра. Сами протоны и нейтроны при этом свою сущность не меняют. Однако есть и другой тип ядерных превращений — бета-распад, — при котором нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетает электрон и неуловимая частица — нейтрино. Встречается и противоположный вариант, положительный бета-распад, в ходе которого протон становится нейтроном, а ядро испускает нейтрино и античастицу электрона, позитрон.

Бета-распад протекает за счет совсем иного типа ядерных сил — за счет слабого взаимодействия. В отличие от альфа-распада, который может происходить очень быстро или очень медленно, слабые взаимодействия всегда задерживают распад довольно существенно. Период полураспада бета-активных ядер может составлять секунды (гелий-6: 0,8 с), минуты (нейтрон: 15 минут), и многие годы (калий-40: 1,3 млрд лет), но никогда не бывает существенно меньше миллисекунд.

Бета-активные ядра находят множество разных применений, не только в физике, но и в других науках, в том числе и в медицине. Вот несколько примеров.

• Один из центральных методов датирования археологических артефактов — это радиоуглеродный метод, основанный на измерении концентрации углерода-14 (период полураспада 5730 лет).


Определение возраста радиоуглеродным методом. В живом организме углерод-14 постоянно обновляется и концентрация его известна. Сразу после гибели организма обновление прекращается, и радиоуглерод просто распадается с периодом полураспада 5730 лет. Если мы, измерив концентрацию углерода-14, обнаружили, что он составляет лишь четверть от первоначальной, мы можем оценить возраст останков примерно в 11 460 лет. Изображение с сайта age-of-mammals.ucoz.ru

• Для датирования более древних предметов или горных пород помогает изотоп калия-40 с периодом полураспада 1,3 млрд лет (калий-аргоновый метод).
• Космогенные изотопы, т. е. такие ядра, которых в земных породах уже не осталось, но которые могут вновь возникнуть под действием облучения (бериллий-10 с периодом полураспада 1,5 млн лет, железо-60 — 2,6 млн лет и другие), позволяют узнать о том, как в прошлом менялась интенсивность облучения Земли космическими лучами. А это, в свою очередь, может рассказать о том, когда в окрестности Солнечной системы взрывались сверхновые звезды или как в прошлом менялась солнечная активность.
• В медицинском диагностическом методе PET (позитронно-эмиссионная томография) используются позитрон-излучающие изотопы с периодом полураспада от нескольких минут до нескольких часов. Сразу после синтеза эти изотопы связываются в безвредное химическое соединение, оно вводится в организм, его молекулы оседают в нужных тканях и радиоактивные ядра вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение нужных тканей. Благодаря сверхнизкой концентрации радиоизотопов такая диагностика заболеваний оказывается безопасной и при этом быстрой и достаточно точной.