A béta-radioaktivitás vagy a béta-emisszió (β szimbólum) eredetileg a bomlási radioaktivitás egyik típusa, amelyben béta részecske ( elektron vagy pozitron ) bocsátódik ki. Béta mínusz (β - ) vagy béta plusz (β + ) bomlásról beszélünk, attól függően, hogy ez egy elektron (negatív töltésű részecske) vagy egy pozitron (pozitív töltésű részecske) kibocsátása. Például, azt látjuk, egy β - emissziós a trícium ( 3 H + ), amely átalakul hélium 3 ( 3 Ő 2+ ):
Ma a β-bomlás általános a neutrínókat vagy anti-neutrínókat magában foglaló összes nukleáris reakcióra , amelyet a következő összefüggéssel lehet összefoglalni:
Ebben az utolsó összefüggésben egy elektron vagy egy neutrino átalakul antirészecskéjévé a kettős nyíl másik oldalán való áthaladás révén. Mindezeket a reakciókat a gyenge atomerő irányítja, és akkor lehetségesek, ha az energiaegyensúly lehetővé teszi.
1896-ban Henri Becquerel felfedezte a radioaktivitást azáltal, hogy megfigyelte az uránérc által kibocsátott β-sugarak által hagyott nyomokat , amelyek áthaladnak a csomagolásán, hogy lenyűgözzék a fényképes lemezt. 1898-ban Ernest Rutherford felfedezte, hogy az uránérc által kibocsátott radioaktivitás két olyan jelenség keveréke, amelyeket megkülönböztetnek az anyag behatolási és ionizációs képessége: α radioaktivitásnak és β radioaktivitásnak nevezi őket . 1899-ben Friedrich Giesel , Stefan Meyer (en) , Egon Schweidler (en) és Henri Becquerel egymástól függetlenül azt mutatják, hogy bizonyos sugárzások mágneses tér által eltéríthetők. Pierre és Marie Curie azt mutatják, hogy a szórható sugárzások β sugarak, és töltésük negatív. Becquerel ekkor, 1902-ben, Walter Kaufmann egymástól függetlenül megmérte a töltet és a β részecskék tömege közötti arányt, és megállapította, hogy ez megegyezik az elektronok esetében kapottal: arra következtetünk, hogy a β sugárzás nagy sebességű elektronkibocsátás .
A XX . Század eleje fizikusai a β sugárzás jellemzőinek, különösen a kibocsátott elektronok sebességének tanulmányozására törekszenek. Az ebben a témában Lise Meitner és Otto Hahn által közzétett első cikkek arra a következtetésre vezetnek, hogy a kibocsátott elektron energiája, tehát sebessége a kibocsátó anyagra jellemző. Ezt a következtetést azonban 1911-ben megkérdőjelezte Jean Danysz , majd James Chadwick , akik mind arra a következtetésre jutottak, hogy az egyetlen anyag által kibocsátott elektronok energiája változó, a divergencia eredetét utólag azzal magyarázzák, ahogyan a a kísérletezők kifejlesztik az elektronok által lenyűgözött fényképes lemezeket. A vita Charles Drummond Ellis (in) által az első világháború után ért véget , amely azt mutatja, hogy a β radioaktivitás eredményeként a rádiumminta felmelegedése megfelel a kibocsátott elektronok átlagos energiájának, összhangban Chadwick és Danysz megállapításával. , de nem Meitner és Hahnéival. A kísérlet érvényességét utólag nem vitatják, de úgy tűnik, hogy ez az energia megőrzésének elmaradását jelenti .
A β részecskék energiaeloszlása egy adott bomlástípus esetében a valószínűség törvényét követi (ellentétben az α sugárzással). A béta részecske átlagos energiája nagyjából ennek a maximális energiának a 40% -a, ami ellentétesnek tűnik a termodinamika első elvével . Ennek a paradoxonnak a feloldására Wolfgang Pauli 1931-ben azt javasolta, hogy a „hiányzó” energiát egy másik, még fel nem fedezett részecske vigye el, amelyet neutronra keresztelt, de amelyet később átneveztek neutrínóra . A neutrínókat kísérletileg csak 1956-ban lehet megfigyelni .
A 1933 , Enrico Fermi feltéve, elméleti keretet β radioaktivitást és a létezését neutrínók kovácsolással fogalmának gyenge nukleáris kölcsönhatást . Ez különösen lehetővé teszi az izotóp felezési idejének és a kibocsátott elektronok maximális energiájának kvantitatív összekapcsolását.
Ez magyarázza a neutrino jelenlétét:
Β a radioaktivitás a W-bozon proton , neutron (vagy pontosabban az egyik vegyértékkvarcuk ), egy elektron és egy neutrino közötti cseréjéből származik . A váltás körül minden variáció lehetséges (kielégítő energiafeltételek mellett), feltéve, hogy a kvantumszámok megőrzése teljesül (különösen az elektromos töltés és a leptonszám megőrzése ).
A β radioaktivitással kapcsolatos első elméletek nyilvánvalóan megsértették az energia megőrzésének elvét . Levelében1930. december, Wolfgang Pauli megoldást javasol erre a paradoxonra, feltételezve a semleges töltésű és nagyon alacsony vagy nulla tömegű részecske létezését: a neutrínót, amelynek létét csak 1956-ban fogják megerősíteni.
A neutron alakítjuk proton keresztül gyenge nukleáris erő , és a β - részecske (elektron), és egy antineutrinó kerülnek kibocsátásra:
.Valójában a neutron nem elemi részecske, hanem egy fel kvarkból és két lefelé kvarkból (udd) áll. Ez az egyik le kvarkja, amely kölcsönhatásba lép a β radioaktivitásban, átalakul egy fel kvarkká, majd protont képez (uud). A legalapvetőbb szinten a gyenge interakció megváltoztatja az egyszerű kvark ízét:
,reakció, amelyet közvetlenül a következők szétesése követ :
.A β - (elektronok) energiaspektruma ( a kinetikus energiájuk szerint kibocsátott részecskék száma ) folyamatos, a három test közötti energiamegosztás miatt. Nincs minimális energia.
A reakció energetikailag csak azzal a feltétellel lehetséges, hogy a gyermek atommagja kevésbé masszív, mint a szülőmag.
Példa egy β - reakciót a radioaktív izotópot kobalt 60 ( 60 Co), amely válik stabil nikkel 60 ( 60 Ni + ):
.Ebben a példában megjegyezzük, hogy az előállított nikkelion elkerüli a szokásos kristályos pályákat, különösen akkor, ha a kobalt kristályos formában volt, ahol a nikkel atomnak a szomszédos elektronok befogásával kell átrendeznie magát. Amint a kibocsátott béta-elektron a kristályon keresztül haladva ionizációkat okoz az útja mentén, a kristály többi atomjának pályája átrendeződik az útja mentén. A bétaelektront végül maga a kristály tudja felvenni anélkül, hogy el tudna menekülni, majd kinetikus energiáját hő formájában lemondja a kristályról.
Mivel az emissziós energiaspektrum folyamatos, a fémes kobalt-60 kristály magjában előforduló béta-bomlások sokasága nem kerül ki belőle, és valószínűleg csak a kristály külseje detektálható. befogni és detektálni) vagy nagyon lassú elektronokat az útjuk során. De a bomlás során keletkező nikkelion ütközik a kristály szomszédos atomjaival is, és lökéshullámot idéz elő a kristályban (a kristály felületén található kobalt szublimálódhat). Másrészt a kristály felszíne közelében a béta-elektronemisszió fele detektálható.
Másrészt, ha a neutrino kis energiával bocsátódik ki, a béta-elektron és a nikkel-ion nagy sebességgel, majdnem ellentétes irányban mozog, az előbbi könnyen keresztezi az egész kristályt, és az ion erősen eltalálja őket. : az elektront ezután a kristály egyik oldaláról bocsátják ki, és a kobaltgáz szublimációja figyelhető meg a kristály másik oldalán, a hőmérséklet által felerősített szublimációval. Egy nagyon dúsított és fiatal kobalt 60 forrásnál számos bomlás zajlik le, és a kristály folyamatosan kibocsátja a kobalt 60 gáz (még mindig radioaktív), a neutrínók és a béta elektronok keverékét, amelyek közül néhány nagyon nagy energiájú.
A proton a gyenge magerő révén neutronná alakul át, és β + részecske (pozitron) és neutrino bocsátódik ki:
.Valójában a proton (mint a neutron) nem elemi részecske, hanem két fel kvarkból és egy lefelé kvarkból áll (uud). Az egyik ilyen kvark kölcsönhatásba lép a β radioaktivitásban, átalakul lefelé kvarkká, neutront (udd) alkotva:
,reakció, amelyet közvetlenül a következők szétesése követ :
.A β + (positronok) energiaspektruma (a kinetikus energiájuk szerint kibocsátott részecskék száma ) folyamatos, ami a három test közötti energiamegosztásnak köszönhető. Ugyanakkor észlelünk egy minimális pozitron sebességet. Ez annak köszönhető, hogy ez utóbbit Coulomb taszította a maggal.
Ez a reakció csak akkor mehet végbe, ha a gyermekmag tömege, hozzáadva az elektron tömegének kétszereséhez, kisebb, mint a szülőmag tömege.
Példa a fluor β + reakciójára, amely oxigénné alakul :
.A protont neutronrá alakítják át, ha a sejt magja elkapja az elektront. Az elektron összekapcsolható, ezután az atom elektronmenetének K, L, M ... rétegéhez tartozik, és orbitális elektronikus befogásról beszélünk :
ahol egy kötött elektront jelöl. Ez a reakció két testből álló reakció, monoenergetikus neutrino kibocsátásával. Szélsőséges körülmények között, például a neutroncsillagok képződése során, a szabad elektronokat is meg tudja fogni a mag.
Energiaügyi kérdésekben az elektronok száma befolyásolja a β bomlási sebességét. Például a stabil atomok instabillá válhatnak, ha megválasztják az elektronjaikat. Egyes bomlási csatornák megnyílhatnak, mások pedig bezáródhatnak.
Bound β bomlás, ami formailag a fordított folyamat orbitális elektronbefogás, illusztrálja ezt a jelenséget, amely egy erősen ionizált atom keresztülmegy p - bomlás . A bomlás eredményeként keletkező elektron ahelyett, hogy szabad lenne, közvetlenül egy K, L vagy M rétegbe kerül :
ahol egy kötött elektront jelöl.
Ez szintén egy két testből álló reakció, amelyben a végső állapot az ionból (a sejtmagból és a kötött elektronokból) és egy monoenergetikus antineutrino emisszióból áll. Ez a jelenség nem jelenik meg semleges atomokban, mert a Pauli kirekesztés elve tiltja ezt a reakciót; az első elektronikus rétegek már megteltek.
Az ilyen részecskék által kiváltott β radioaktivitás olyan jellemzőkkel rendelkezik, amelyek miatt évtizedekig autoradiográfiában , állatkísérletekben vagy emberben alkalmazták radioaktív címkézésre és molekulák radioaktív nyomon követésére organizmusokban vagy biológiai mechanizmusokban ( molekuláris biológia , géntechnológia és fiziopatológia például kötések, in situ hibridizáció vagy immunhisztokémia ).
A képalkotás β kevesebb film- vagy fényképes emulziót használ a rádió képalkotó teljesítményének és gyakorlatainak javára (pl. Foszforkép , a β-képalkotó és μ-képalkotó ). Az összes emitter (β-, β - γ és β +), valamint a nukleáris orvoslás γ nyomjelzői is detektálhatók „a γ emisszió során felszabaduló alacsony energiájú elektronoknak köszönhetően. A foszforképező kiválóan alkalmas nagy energiájú nyomjelzőkre és nagy méréssorozatokra. A valós idejű rádióképeket (β-imager és μ-imager) előnyben részesítik a kísérleti körülmények ellenőrzéséhez. A β-imager és a μ-imager gyakran kiegészítik egymást, az egyik nagy elemzési teret kínál közepes, a másik kiváló felbontással, de kis elemzési felülettel. "