Beta bozunması

Nükleer fizikte, beta bozunması (β-bozunması), bir beta parçacığının (hızlı enerjik elektron veya pozitron) bir atom çekirdeğinden yayıldığı ve orijinal nüklidi bir izobar'a dönüştüren bir tür radyoaktif bozunmadır. Örneğin, bir nötronun beta bozunması, bir antineutrino eşliğinde bir elektron emisyonu ile onu protona dönüştürür; veya tersine, bir proton, pozitron emisyonu olarak adlandırılan bir nötrino ile bir pozitron emisyonu ile bir nötrona dönüştürülür. Ne beta partikülü ne de bununla ilişkili (anti-)nötrino, beta bozunmasından önce çekirdek içinde mevcut değildir, ancak bozunma sürecinde yaratılmaz. Bu işlemle, kararsız atomlar protonların nötronlara daha kararlı bir oranını elde eder. Beta ve diğer bozunma biçimlerine bağlı olarak bir nüklid çürümesi olasılığı, nükleer bağlama enerjisi ile belirlenir. Mevcut tüm nüklidlerin bağlanma enerjileri, nükleer bant veya stabilite dalgalar arasındaki çukur olarak adlandırılanı oluşturur. Elektron veya pozitron emisyonunun enerjik olarak mümkün olması için, enerji salınımı (aşağıya bakınız) veya Q değeri pozitif olmalıdır.

Beta bozunma, nispeten uzun bozunma süreleri ile karakterize edilen zayıf kuvvetin bir sonucudur. Nükleonlar yukarı kuarklar ve aşağı kuarklardan oluşur ve zayıf kuvvet, bir kuarkın, bir elektron / antineutrino veya pozitron/nötrino çiftinin oluşmasına yol açan bir W bozonu emisyonu ile çeşnisini değiştirmesine izin verir. Örneğin, iki aşağı kuark ve yukarı kuarktan oluşan bir nötron, aşağı kuark ve iki yukarı kuarktan oluşan bir protona bozunur.

Elektron yakalama bazen bir tür beta bozunma olarak dahil edilir, çünkü zayıf kuvvetin aracılık ettiği temel nükleer süreç aynıdır. Elektron yakalamada, bir iç atomik elektron çekirdekteki bir proton tarafından yakalanarak nötrona dönüştürülür ve bir elektron nötrino salınır.

Açıklama

İki tip beta bozunumu beta eksi ve beta artı olarak bilinir. Beta eksi (β⁻) bozunumu, bir nötron bir protona dönüştürülür ve işlem bir elektron ve bir elektron antineutrino oluşturur; beta artı (β⁺) bozunumunda, bir proton bir nötrona dönüştürülür ve işlem bir pozitron ve bir elektron nötrino oluşturur. β⁺ bozunma pozitron emisyonu olarak da bilinir.

Beta bozunması, lepton sayısı olarak bilinen bir kuantum sayısını veya elektronların ve bunların ilişkili nötrinolarının (diğer leptonlar, müon ve tau parçacıklarıdır) korur. Bu parçacıkların lepton sayısı +1, antipartiküllerinin ise lepton sayısı −1'dir. Bir proton veya nötronun lepton sayısı sıfır olduğundan, β⁺ bozunması (pozitron veya antielektron) bir elektron nötrino eşlik etmelidir, β⁻ bozunması (bir elektron) bir elektron antineutrino eşlik etmelidir.

Elektron emisyonunun bir örneği (β⁻ bozunması), karbon-14'ün yarılanma ömrü yaklaşık 5.730 yıl olan azot-14'e bozulmasıdır:

3
1H
→ 3
2He
+
e−
+
ν
e

Bu bozunma biçiminde, orijinal element, nükleer dönüşüm olarak bilinen bir işlemde yeni bir kimyasal element haline gelir. Bu yeni elementin değişmemiş bir kütle numarası A vardır, ancak bir atom numarası Z bir arttırılır. Tüm nükleer bozunmada olduğu gibi, bozunma elementi (bu durumda 14
6C
) ana nüklid olarak bilinirken, elde edilen element (bu durumda 14
7N
) bağı nüklid olarak bilinir.

Başka bir örnek, hidrojen-3'ün (trityum) yaklaşık 12.3 yıllık yarılanma ömrüne sahip helyum-3'e bozunmasıdır:

3
1H
→ 3
2He
+
e−
+
ν
e

Pozitron emisyonunun bir örneği (β⁺ bozunması) magnezyum-23'ün yarı ömrü yaklaşık 11.3 s olan sodyum-23'e bozunmasıdır:

23
12Mg
→ 23
11Na
+
e+
+
ν
e

β⁺ bozunumu ayrıca nükleer dönüşümle sonuçlanır, sonuçta ortaya çıkan element bir atom sayısı bir azalır.

Beta spektrumu veya beta parçacıkları için enerji değerlerinin dağılımı süreklidir. Bozunma işleminin toplam enerjisi elektron, antineutrino ve geri tepme nüklidi arasında bölünür. Sağdaki şekilde, ²¹⁰Bi beta bozunumundan 0.40 MeV enerjiye sahip bir elektron örneği gösterilmiştir. Bu örnekte, toplam bozunma enerjisi 1.16 MeV'dir, bu nedenle antineutrino kalan enerjiye sahiptir: 1.16 MeV − 0.40 MeV = 0.76 MeV. Eğrinin en sağındaki bir elektron, mümkün olan en yüksek kinetik enerjiye sahip olacak ve nötrino enerjisinin sadece durgun kütle olmasını sağlayacaktır.

Tarihçe

Keşif ve ilk karakterizasyon

Radyoaktivite 1896'da uranyumda Henri Becquerel tarafından keşfedildi ve daha sonra Marie ve Pierre Curie tarafından toryumda ve yeni elementlerde polonyum ve radyumda gözlemlendi. 1899'da Ernest Rutherford, radyoaktif emisyonları iki türe ayırdı: nesnelerin nüfuz etmesine ve iyonlaşmaya neden olma yeteneğine bağlı olarak alfa ve beta (şimdiki beta eksi). Alfa ışınları ince kağıt veya alüminyum tabakalarıyla durdurulabilirken, beta ışınları birkaç milimetre alüminyuma nüfuz edebilir. 1900'de Paul Villard, Rutherford'un 1903'te temelde yeni bir tür olarak tanımladığı ve gama ışınları olarak adlandırdığı daha nüfuz eden bir radyasyon türü tanımladı. Alfa, beta ve gama, Yunan alfabesinin ilk üç harfidir.

1900'de Becquerel beta parçacıkları için kütle-yük oranını (m/e) J.J. Thomson katot ışınlarını inceliyor ve elektronu tanımlıyordu. Bir beta parçacığı için m/e'nin Thomson'un elektronu ile aynı olduğunu buldu ve bu nedenle beta parçacığının aslında bir elektron olduğunu öne sürdü.

1901'de Rutherford ve Frederick Soddy, alfa ve beta radyoaktivitenin, atomların diğer kimyasal elementlerin atomlarına dönüşümünü içerdiğini gösterdi. 1913'te, daha fazla radyoaktif bozunumun ürünleri bilindikten sonra, Soddy ve Kazimierz Fajans bağımsız olarak radyoaktif yer değiştirme yasalarını önerdi, bu da bir elementten beta (yani, β⁻) emisyonunun periyodik tabloda sağda bir yer sağladığını, alfa emisyonunun ise solda iki yer oluşturduğunu ifade etti.

Nötrinolar

Beta bozunması çalışması, nötrino varlığı için ilk fiziksel kanıtı sağladı. Hem alfa hem de gama bozulmasında, ortaya çıkan alfa veya gama parçacığı dar bir enerji dağılımına sahiptir, çünkü parçacık enerjiyi ilk ve son nükleer durumlar arasındaki farktan taşır. Bununla birlikte, 1911'de Lise Meitner ve Otto Hahn ve 1913'te Jean Danysz tarafından ölçülen beta parçacıklarının kinetik enerji dağılımı veya spektrumu, dağınık bir arka planda birden fazla çizgi gösterdi. Bu ölçümler beta parçacıklarının sürekli bir spektruma sahip olduğu konusunda ilk ipucunu sundu. 1914'te James Chadwick, spektrumun sürekli olduğunu gösteren daha doğru ölçümler yapmak için Hans Geiger'in yeni sayaçlarından biriyle manyetik bir spektrometre kullandı. Beta parçacık enerjilerinin dağılımı enerjinin korunumu yasası ile açıkça çelişiyordu. Beta bozunması, o zaman varsayıldığı gibi basitçe elektron emisyonu olsaydı, yayılan elektronun enerjisinin belirli, iyi tanımlanmış bir değeri olmalıdır. Bununla birlikte, beta bozunması için gözlenen geniş enerji dağılımı, beta bozunma sürecinde enerjinin kaybolduğunu gösterdi. Bu spektrum yıllarca şaşırtıcıydı.

İkinci bir problem, açısal momentumun korunması ile ilgilidir. Moleküler bant spektrumları, nitrojen-14'ün nükleer spininin 1 (yani azaltılmış Planck sabitine eşit) olduğunu ve daha genel olarak spinin çift kütle sayısına sahip çekirdekler için integral olduğunu ve tek kütle sayısına sahip çekirdekler için yarı integrali olduğunu gösterdi. Bu daha sonra çekirdeğin proton-nötron modeli ile açıklanmıştır. Beta bozunması kütle numarasını değiştirmeden bırakır, bu nedenle nükleer spin değişikliği bir tamsayı olmalıdır. Bununla birlikte, elektron spini 1/2'dir, bu nedenle beta bozunması basitçe elektron emisyonu olsaydı açısal momentum korunmazdı.

1920-1927 yılları arasında Charles Drummond Ellis (Chadwick ve meslektaşları ile birlikte) beta bozunma spektrumunun sürekli olduğunu tespit etti. 1933'te Ellis ve Nevill Mott, beta spektrumunun enerjide etkili bir üst sınırı olduğuna dair güçlü kanıtlar elde etti. Niels Bohr, enerjinin korunmasının sadece istatistiksel anlamda doğru olması durumunda beta spektrumunun açıklanabileceğini önermişti, bu nedenle bu ilke herhangi bir bozunma ihlal edilebilir. Bununla birlikte, Ellis ve Mott tarafından belirlenen beta enerjilerin üst sınırı bu görüşü dışladı. Şimdi, bilinen beta bozunma ürünlerinde enerjinin değişkenliğinin nasıl hesaplanacağı, aynı zamanda süreçteki momentum ve açısal momentumun korunması konusu akut hale geldi.

1930'da yazılan ünlü bir mektupta Wolfgang Pauli, elektronlara ve protonlara ek olarak atom çekirdeğinin nötron olarak adlandırdığı son derece hafif nötr bir parçacık içerdiğini öne sürerek beta parçacık enerji bilmecesini çözmeye çalıştı. Bu "nötronun" beta bozunması sırasında da yayıldığını (böylece bilinen eksik enerji, momentum ve açısal momentumu açıkladığını) öne sürdü, ancak henüz gözlemlenmedi. 1931'de Enrico Fermi, Pauli'nin "nötronu" "nötrino" (İtalyancada 'küçük tarafsız') olarak yeniden adlandırıldı. 1933'te Fermi, beta bozunumu için dönüm noktası teorisini yayınladı, burada kuantum mekaniği prensiplerini madde parçacıklarına uyguladı, atom geçişlerinde ışık kuantumu gibi yaratılabileceğini ve imha edilebileceğini varsayarak. Böylece, Fermi'ye göre, nötrinolar çekirdeğin içinde olmaktan ziyade beta-bozunma sürecinde oluşturulur; aynı şey elektronlar için de geçerlidir. Madde ile nötrino etkileşimi o kadar zayıftı ki, onu tespit etmek ciddi bir deneysel zorluk ortaya çıkardı. Nötrino varlığına dair dolaylı kanıtlar, bir elektron emildikten sonra böyle bir parçacık yayan çekirdeklerin geri tepmesi gözlemlenerek elde edildi. Nötrinolar nihayet 1956'da doğrudan Cowan-Reines nötrino deneyinde Clyde Cowan ve Frederick Reines tarafından tespit edildi. Nötrinoların özellikleri Pauli ve Fermi tarafından tahmin edildiği gibi (birkaç küçük değişiklikle) olmuştur.

β⁺ bozunma ve elektron yakalama

1934'te Frédéric ve Irène Joliot-Curie, 4
2He
 + 27
13Al
 → 30
15P
 + 1
0n
nükleer reaksiyonunu gerçekleştirmek için alfa parçacıklarıyla alüminyum bombardımanı yaptı ve ürünün 30
15P
izotopu olduğunu gözlemledi kozmik ışınlarda bulunanlarla aynı pozitron yayar (1932'de Carl David Anderson tarafından keşfedildi). Bu, 30
15P
, doğada bulunmayan kısa ömürlü bir nüklid olduğu için yapay radyoaktivite olarak adlandırdıkları β⁺ bozunumunun (pozitron emisyonu) ilk örneğiydi. Keşiflerini tanıyan çift, 1935'te Nobel Kimya Ödülleri'ne layık görüldü.

Elektron yakalama teorisi ilk olarak 1934 tarihli Gian-Carlo Wick tarafından tartışılmış ve daha sonra Hideki Yukawa ve diğerleri tarafından geliştirilmiştir. K-elektron yakalama ilk olarak 1937'de Luis Alvarez tarafından ⁴⁸V nükleotidinde gözlendi. Alvarez ⁶⁷Ga ve diğer nüklidlerde elektron yakalama çalışmalarına devam etti.

Paritenin korunmaması

1956'da Tsung-Dao Lee ve Chen Ning Yang, zayıf etkileşimlerde paritenin korunduğuna dair bir kanıt olmadığını fark ettiler ve bu simetrinin zayıf kuvvet tarafından korunamayacağını öne sürdüler. Laboratuvarda paritenin korunmasını test etmek için bir deney tasarımı tasarladılar. O yılın ilerleyen saatlerinde, Chien-Shiung Wu ve arkadaşları, paritenin beta bozunumunda korunmadığını kanıtlayan soğuk sıcaklıklarda asimetrik bir kobalt-60 beta bozunumu gösteren Wu deneyi yaptılar. Bu şaşırtıcı sonuç, parite ve zayıf güç hakkında uzun süredir var olan varsayımları bozdu. Teorik çalışmalarının farkında olarak Lee ve Yang, 1957'de Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

β^- bozunması

Β^- bozunması, zayıf etkileşim, bir atom çekirdeğini, bir elektron (
e−
) ve bir elektron antineutrino (
ν
e) yayarken, atom numarası bir artan bir çekirdeğe dönüştürür. β^- bozunması genellikle nötronca zengin çekirdeklerde meydana gelir.

A
ZX
→ A
Z+1X′
+
e−
+
ν
e

burada A ve Z, bozunan çekirdeğin kütle numarası ve atom numarasıdır ve X ve X sırasıyla başlangıç ve son elementlerdir.

Başka bir örnek, serbest nötronun (1
0n
) Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla ile bir protona (Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla) bozunmasıdır:

Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla → Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla +
e−
+
ν
e.

Temel düzeyde (sağdaki Feynman diyagramında gösterildiği gibi), bunun nedeni negatif yüklü (−1/3 e) aşağı kuarkın emisyonla pozitif yüklü (+2/3 e) yukarı kuarka dönüştürülmesinden kaynaklanır bir Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla bozonunun; Sembol tanımlanmadı eklemek için tıkla bozonu daha sonra bir elektron ve bir elektron antineutrino haline gelir:

d
→
u
+
e−
+
ν
e.

β⁺ bozunması

β⁺ bozunumunda veya "pozitron emisyonunda" zayıf etkileşim, bir atom çekirdeğini, bir pozitron (e⁺) ve bir elektron nötrino (ν_e) yayarken, atom numarası bir azaltılmış bir çekirdeğe dönüştürür. β⁺ bozunum genellikle protonca zengin çekirdeklerde meydana gelir. Genel denklem:

A
ZX
→ A
Z−1X′
+
e+
+
ν
e

Bu, çekirdek içindeki bir protonun bir nötrona bozulması olarak düşünülebilir.

p → n +
e+
+
ν
e

Bununla birlikte, β⁺ bozunma izole bir protonda meydana gelemez çünkü enerji gerektirir, çünkü nötronun kütlesi protonun kütlesinden daha büyüktür.

β⁺ bozunma çekirdeklerin içinde ancak bağ çekirdeği ana çekirdeğe göre daha büyük bir bağlanma enerjisine (ve dolayısıyla daha az toplam enerjiye) sahip olduğunda meydana gelebilir. Bu enerjiler arasındaki fark, bir protonun bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya ve bu parçacıkların kinetik enerjisine dönüştürülmesinin reaksiyonuna gider. Bu süreç negatif beta bozunmasına zıttır, zira zayıf etkileşim, bir yukarı kuarkı bir W⁺ emisyonu veya bir W⁻ emilimi ile sonuçlanan bir aşağı kuarka dönüştürerek bir protonu bir nötrona dönüştürür. .

Elektron yakalama (K yakalama)

Bir çekirdeğin β⁺ bozunması (pozitron emisyonu) enerjisel olarak izin verilen tüm durumlarda, elektron yakalamaya da izin verilir. Bu, bir çekirdeğin atomik elektronlarından birini yakaladığı ve bir nötrino emisyonu ile sonuçlandığı bir süreçtir:

A
ZX
+
e−
→ A
Z−1X′
+
ν
e

Elektron yakalamanın bir örneği, kripton-81'in bromin-81'e bozunma modlarından biridir:

81
36Kr
+
e−
→ 81
35Br
+
ν
e

Yayılan tüm nötrinolar aynı enerjiye sahiptir. Başlangıç ve nihai durumlar arasındaki enerji farkının 2m_ec²'den az olduğu protonca zengin çekirdeklerde, β⁺ bozunması enerjisel olarak mümkün değildir ve elektron yakalanması tek bozunma modudur.

Yakalanan elektron, atomun en içteki kabuğundan geliyorsa, çekirdekle etkileşime girme olasılığı en yüksek olan K kabuğuna, işleme K yakalama denir. L kabuğundan geliyorsa, sürece L yakalama vb. Denir.

Elektron yakalama, β⁺ bozunmaya maruz kalabilen tüm çekirdekler için rakip (eşzamanlı) bir bozunma sürecidir. Ancak bunun tersi doğru değildir: elektron yakalama, bir pozitron ve nötrino yaymak için yeterli enerjiye sahip olmayan protonca zengin nüklidlerde izin verilen tek bozunma türüdür.

Nükleer dönüşüm

Proton ve nötron bir atom çekirdeğinin parçasıysa, yukarıda tarif edilen bozunma süreçleri bir kimyasal elementi diğerine dönüştürür. Örneğin:

137 55Cs			→	137 56Ba	+	e−	+	Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla	(beta eksi bozulma)
22 11Na			→	22 10Ne	+	Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla	+	Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla	(beta artı bozunma)
22 11Na	+	e−	→	22 10Ne	+	Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla			(elektron yakalama)

Beta bozunması çekirdekteki nükleon sayısını (A) değiştirmez, ancak sadece yükü Z'yi değiştirir. Böylece, aynı A'ya sahip tüm nüklidlerin kümesi sokulabilir; bu izobarik nüklitler beta bozunması yoluyla birbirlerine dönüşebilir. Belirli bir A için en kararlı olanı vardır. Beta kararlı olduğu söylenir, çünkü kütle fazlalığının yerel bir minimasını sunar: eğer böyle bir çekirdeğin (A, Z) sayıları varsa, komşu çekirdeklerin (A, Z−1) ve (A, Z+1) kütle fazlalığı fazladır ve beta (A, Z) 'ye bozunabilir, ancak tersi olmaz. Tüm tek kütle numaraları A için bilinen tek bir beta-kararlı izobar vardır. A için bile, deneysel olarak bilinen üç adede kadar farklı beta-kararlı izobar vardır; örneğin, 124
50Sn
, 124
52Te
, ve 124
54Xe
hepsi beta kararlı. Bilinen yaklaşık 350 beta-bozunma kararlı nüklid vardır.

Bozunma tipleri

Beta bozunma türlerinin rekabeti

Genellikle kararsız nüklidler açıkça "nötron zengini" veya "proton zengindir", önceki beta bozunması ve ikincisi elektron yakalaması geçirir (veya daha nadiren, daha yüksek enerji gereksinimleri nedeniyle pozitron bozunması). Bununla birlikte, birkaç tek-proton, tek-nötron radyonüklit vakasında, radyonüklidin beta-pozitif veya beta-negatif bozunma geçirerek çift-protonlu, hatta-nötron izobarına bozunması enerjik olarak elverişli olabilir. Sıkça atıfta bulunulan bir örnek, rekabette üç tip beta bozunumunu gösteren tek izotop 64
29Cu
'dur (29 proton, 35 nötron). Bakır-64'ün yarı ömrü yaklaşık 12.7 saattir. Bu izotopun bir eşlenmemiş protonu ve bir eşleştirilmemiş nötronu vardır, bu nedenle proton veya nötron bozunur. Bu belirli nüklidin (bu durumda tüm nüklidlerin olmamasına rağmen), pozitron emisyonu (%18) veya elektron yakalanması (%43) ile 64
28Ni
'ye kadar proton bozunması yoluyla neredeyse eşit derecede bozulma olasılığı vardır, çünkü elektron emisyonu (%39) ile nötron bozunması ile 64
30Zn
bozunur.

Doğal olarak oluşan nüklidlerin stabilitesi

Yeryüzünde doğal olarak bulunan nüklidlerin çoğu beta kararlıdır. Yarı ömrü olmayanlar, bir saniyenin altında bir zaman dilimine kadar evrenin yaşından önemli ölçüde daha fazladır. Uzun ömürlü bir izotopun yaygın bir örneği, 1.277×10⁹ yıllık bir yarı ömre sahip üç beta çürüme tipine (β⁻, β⁺ ve elektron yakalama) maruz kalan odd-proton tek-nötron nüklid 4019K'dır.