Beetalagunemine

Beetalagunemine on protsess, mille käigus neutron muutub prootoniks või prooton neutroniks, kiirates beetaosakese (β) ja elektronneutriino (ν_e). Beetalagunemine võib toimuda nii aatomituuma sees kui ka vaba elementaarosakesega.

Beetalagunemise tagajärjel tekib beetakiirgus, mis koosneb beetaosakestest (elektronidest või positronidest). Sõltuvalt laguneva tuuma energiast võib beetakiirguse energia olla väga erinev. Eriti tugeva beetakiirguse puhul võib beetaosakeste kiirus läheneda valguse kiirusele.

Teatakse kolme liiki beetalagunemist: β⁺-lagunemine, β^--lagunemine ja elektronhaare.^[1] Beetalagunemine on üks nõrga vastastikmõju ilmingutest.

β^–-lagunemine toimub juhul, kui neutron (n⁰) muutub prootoniks (p⁺), kiirates elektroni (e^–) ja antielektronneutriino (${\displaystyle {\overline {\nu }}}$). Näiteks vaba neutron muutub alati prootoniks, sest ta on prootonist raskem. Tuumas toimub β^–-lagunemine ainult siis, kui seal on rohkem neutroneid, kui stabiilse (energeetiliselt kõige madalamal tasemel asuva) tuuma jaoks vaja. Lagunemise tulemusena suureneb tuuma aatomnumber ühe võrra, kuid massiarv jääb samaks. β^–-lagunemise valem on:

n⁰ → p⁺ + e^– + ${\displaystyle {\overline {\nu }}}$

Võrrandi vasakul ja paremal poolel peavad kehtima järgmised kvantarvude jäävused:

• barüonlaeng on jääv (neutron B = 1 → prooton B = 1);
• leptonlaeng on jääv (neutron L_e = 0 → elektron L_e = 1 ja antielektronneutriino (${\displaystyle {\overline {\nu }}}$) L_e = –1;
• elektrilaeng on jääv (neutron Q = 0 → prooton Q = 1 ja elektron Q = –1).

Lagunemisprotsessis on jääv ka energia. Elektron ja antielektronneutriino kannavad ära üleliigse energia, mis tekkis neutroni massi vähenemise tulemusena.

Elementaarosakeste tasemel toimub β^–-lagunemine läbi W-bosoni. Neutroni üks d-kvark kiirgab virtuaalse W-bosoni (W^-), muutudes u-kvargiks. Kiiratud W-boson laguneb aga elektroniks ja antielektronneutriinoks.

β⁺-lagunemine toimub siis, kui prooton (p⁺) muutub neutroniks (n⁰), kiirates positroni (e⁺) ja elektronneutriino (ν). β⁺-lagunemine vajab lisaenergiat, seetõttu võib see toimuda ainult tuuma sees, kasutades ära tuuma seoseenergiat. β⁺-lagunemine toimub tuumades, milles on neutrone vähem kui stabiilse tuuma jaoks vaja. Lagunemise tulemusena väheneb tuuma aatomnumber ühe võrra, kuid massiarv jääb samaks. β⁺-lagunemise valem on:

p⁺ → n⁰ + e⁺ + ν

Võrrandi vasakul ja paremal poolel peavad kehtima järgmised kvantarvude jäävused:

• barüonlaeng on jääv (prooton B = 1 → neutron B = 1);
• leptonlaeng on jääv (prooton L_e = 0 → positron L_e = –1 ja elektronneutriino ν L_e = 1;
• elektrilaeng on jääv (prooton Q = 1 → positron Q = 1);

Lagunemisprotsessis on jääv ka energia. Prooton saab lagunemiseks vajaliku lisaenergia tuuma seoseenergiast.

Elementaarosakeste tasemel toimub β⁺-lagunemine läbi W-bosoni. Prootoni üks u-kvark kiirgab virtuaalse W-bosoni (W⁺), muutudes d-kvargiks. Kiiratud W-boson laguneb aga positroniks ja elektronneutriinoks.

Elektronhaare on tuumareaktsioon, mille puhul prooton (p⁺) neelab elektroni e^–, muutudes neutroniks (n⁰) ja kiirates elektronneutriino (ν). Raskemaks osakeseks muutumiseks vajaliku lisaenergia saab prooton neelatud elektronilt.

p⁺ + e^– → n⁰ + ν

Kõikides olukordades, kus saab toimuda β⁺-lagunemine, saab toimuda ka elektronhaare. Kui aatomituuma ebastabiilse ja stabiilse seisundi energeetiline vahe on väiksem kui 2m_ec² (kahe elektroni mass korda valguse kiirus ruudus), siis on elektronhaare aatomi ainus võimalus minna kõrgemalt energiatasemelt madalamale. Elektronhaarde puhul beetakiirgust ei teki.

Beetakiirgus koosneb beetaosakestest (suure energiaga elektronidest ja/või positronidest). Beetakiirgus on ioniseeriv radioaktiivne kiirgus, mille läbimisvõime on alfakiirgusest suurem, kuid gammakiirgusest oluliselt väiksem. Beetakiirguse peatamiseks piisab näiteks õhukesest metalllehest.

Läbides ainet, võivad beetaosakesed tekitada teisest radioaktiivset kiirgust, kui kiiresti liikuv elektron "pidurdub" aatomi elektronkattes ilma neeldumata. Sellisel juhul antakse osa elektroni kineetilisest energiast üle teda pidurdanud aatomile (aatom ergastatakse). Aatom läheb ergastatud olekust tagasi oma põhiolekusse, kiirates gammakvandi. Sellisel moel tekkinud gammakiirgus on beetakiirguse teisene kiirgus.

Kui beetakiirgus koosneb positronidest, siis need annihileeruvad kiiresti, kohtudes elektroniga.

• Alfakiirgus
• Beetaosake
• Gammakiirgus
• Ioniseeriv kiirgus
• Radioaktiivne kiirgus