Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи), образование, биологическая опасность и защита.
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи) – это потоки высокоэнергетических, высокоскоростных бета-частиц (β-частиц), испускаемых при радиоактивном бета-распаде атомного ядра.
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи)
Возникновение и образование бета-излучения
Биологический эффект и опасность бета-излучения
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи):
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи) – это потоки высокоэнергетических, высокоскоростных бета-частиц (β-частиц), испускаемых при радиоактивном бета-распаде атомного ядра.
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи) являют собой поток высокоэнергетических, высокоскоростных электронов – е– (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов – p (соответственно, частиц с положительным зарядом).
В свою очередь бета-частицы (β-частицы) – это либо электрон – е– (частица с отрицательным зарядом) или позитрон – p (соответственно, частица с положительным зарядом).
Бета-излучение (бета-лучи, β-лучи) – это ионизирующее излучение, обычно возникающее при бета-распаде – одном из типов радиоактивного распада атомных ядер.
При этом типе распаде атомное ядро излучает электрон или позитрон (бета-частицу), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино).
Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов:
– ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино – «бета-минус-распад» (β−).
– ядро испускает позитрон и нейтрино – «бета-плюс-распад» (β+).
При электронном β-распаде возникает антинейтрино, при позитронном β-распаде – нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда.
Название бета-лучей происходит от деления ионизирующего излучения на альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение в соответствии с их возрастающей способностью проникать в материю. Альфа- и бета-лучи состоят из заряженных частиц и поэтому взаимодействуют с материей значительно сильнее, чем незаряженные фотоны или кванты гамма-излучения. Соответственно, последние имеют значительно более высокую проникающую способность.
Альфа-излучение (α-лучи) – это поток ядер атомов гелия-4, имеющих положительный заряд. Ядро атома гелия-4 (α-частица) – 42He2+ образовано двумя протонами и двумя нейтронами.
Гамма-излучение (γ-лучи) представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Энергия гамма-квантов может составлять от нескольких сотен килоэлектронвольт (кэВ) до нескольких сотен гигаэлектронвольт (ГэВ) и выше. Последнее (сверхвысокие значения энергий гамма-лучей) характерно для космических лучей. Так, очень высокоэнергетические гамма-лучи в диапазоне 100-1000 тераэлектронвольт (ТэВ) наблюдались от таких источников, как микроквазар Cygnus X-3 .
Впервые бета-частицы обнаружены Э. Резерфордом в 1899 году вместе с альфа-частицами и названы им по второй букве греческого алфавита.
Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад трития) до 20 МэВ (распад лития-11).
Существуют и другие типы излучения, частицами которого являются электроны.
Электроны, выбивающиеся частицами из атомов при ионизации, образуют так называемое дельта-излучения. Дельта-частицы (или дельта-электроны) являются электронами как и бета-частицы, однако их энергия редко превышает 1 кэВ, а спектр отличается от спектра бета-частиц. Дельта-электроны тоже могут, в свою очередь, выбивать другие электроны, вызывая третичную ионизацию. Электроны, выбитые дельта-частицами, называются эпсилон-частицами.
Источники бета-излучения:
При бета-распаде часто кроме бета-частиц образуются и гамма-кванты, поэтому более широкое практическое применение имеют чистые бета-излучатели. К ним относятся нуклиды:
– водород-3 (тритий),
– железо-55,
– никель-63,
– криптон-85,
– стронций-90,
– иттрий-90,
– рутений-106,
– родий-106,
– церий-144,
– празеодим-144,
– прометий-147,
– таллий-204,
– плутоний-238
– и другие.
Конструктивно источники бета-частиц представляют собой капсулу, содержащую радиоактивный изотоп и отверстие, через которое излучаются частицы.
Свойства бета-частиц:
Диапазон максимальной энергии бета-частиц колеблется от 18,6 килоэлектронвольт (распад трития) до 20 МэВ (распад лития-11).
Скорости электронов в бета-излучении достигают 0,998 скорости света.
Возникновение и образование бета-излучения:
Бета-излучение возникает при бета-распаде атомных ядер.
При этом типе распаде атомное ядро излучает электрон или позитрон (бета-частицу), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино).
Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов:
- ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино – «бета-минус-распад» (β−). При таком виде β-распада распадаются как свободные нейтроны, так и много природных изотопов, имеющих избыток нейтронов;
- ядро испускает позитрон и нейтрино – «бета-плюс-распад» (β+). При таком виде β-распада распадаются тяжёлые ядра.
При электронном β-распаде возникает антинейтрино, при позитронном β-распаде – нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда.
Распределение энергии бета-излучения (бета-спектр) в отличие от альфа-излучения является непрерывным, поскольку энергия, выделяющаяся при распаде, распределяется не между двумя, а между тремя частицами – атомным ядром, электроном (позитроном) и антинейтрино (нейтрино).
Известно более 1500 ядер, излучающие бета-частицы при распаде.
Свойства бета-излучения:
– направление движения бета-излучения (бета-частиц) меняется магнитными и электрическими полями, что свидетельствует о наличии в бета-частицах электрического заряда;
– скорости электронов в бета-излучении достигают 0,998 скорости света. Поскольку скорости бета-частиц, как правило, близки к скорости света, при попадании в прозрачную среду они движутся быстрее, чем свет в этой среде, что приводит к возникновению черенковского излучения. Такое излучение характерно, например, для ядерных реакторов, использующих воду в качестве замедлителя нейтронов;
– бета-излучение ионизирует газы,
– бета-излучение вызывает люминесценцию многих веществ,
– бета-излучение действует на фотоплёнки;
– бета-излучение интенсивно взаимодействует с веществом на всей длине своего пробега. Поток бета-частиц оставляет за собой трек ионизированных атомов и молекул. При детектировании в камерах Вильсона и пузырьковых камерах в магнитном поле, трек закручивается, что позволяет идентифицировать бета-частицы по отношению заряда к их массе;
– бета-лучи содержат заряженные частицы и поэтому отклоняются электрическими и магнитными полями;
– бета-излучение представляют собой разновидность ионизирующего излучения и в целях радиационной защиты считаются более ионизирующими, чем гамма-излучение, но менее ионизирующими, чем альфа-излучение. Чем выше ионизирующий эффект, тем сильнее повреждение живой ткани, но также и тем ниже проникающая способность излучения;
– бета-лучи имеют меньшую глубину проникновения в вещество, чем гамма-лучи, и большую глубину проникновения в вещество, чем альфа-лучи. Таким образом, бета-лучи по глубине проникновения занимают «среднее» положение между гамма-лучами и альфа-лучами. Вместе с тем, бета-частицы в 100 раз являются более проникающими, чем альфа-частицы.
Глубина проникновения зависит от плотности окружающей среды в каждом конкретном случае. Более того, бета-частицы взаимодействуют с электронами и ядрами в веществе до полной остановки. Пробег бета-частиц также зависит от их энергии.
|
Длина пробега β-частицы в зависимости от её энергии и среды |
||||
| вещество | 0,05 МэВ | 0,5 МэВ | 5 МэВ | 50 МэВ |
|
длина пробега β-частицы, cм |
||||
| воздух | 4,1 | 160 | 2000 | 17000 |
| вода | 4,7 · 10−3 | 0,19 | 2,6 | 19 |
| алюминий | 2 · 10−3 | 0,056 | 0,95 | 4,3 |
| свинец | 5 · 10−4 | 0,02 | 0,3 | 1,25 |
В большинстве случаев для защиты от бета-частиц достаточно экрана из оргстекла толщиной в 1-2 сантиметра или металлического листа толщиной 3-5 миллиметров.
Необходимо иметь в виду, что бета-частицы в виде электронов при взаимодействии с веществом испускают вторичные гамма-лучи, которые более проникающие, чем бета-лучи сами по себе. Сам материал (вещество) также имеет значение. Вещество с меньшим атомным весом при взаимодействии с бета-частицами генерирует гамма-излучения с меньшей энергией, а вещество с большим атомным весом (например, свинец) – генерирует гамма-излучения с большей энергией;
– бета-излучение при прохождении через вещество вызывает ионизацию атомов вещества, и в результате этого теряет энергию. Среди других типов ионизирующего излучения бета-излучение обладает большим ионизирующим эффектом, чем гамма-излучение, и меньшим ионизирующим эффектом, чем альфа-излучение. Больший ионизирующий эффект означает следующее: чем выше ионизирующий эффект, тем сильнее повреждение живой ткани, но также и тем ниже проникающая способность излучения;
– при прохождении сквозь материю бета-частица замедляется электромагнитными взаимодействиями и может испускать тормозное рентгеновское излучение;
– когда бета-частица проникает в материал (вещество), происходит передача энергии материалу (веществу) и ионизация за счет столкновений с электронами, в результате чего бета-частица многократно отклоняется и замедляется в приповерхностном слое. Если вторгшаяся бета-частица является позитроном (β+ частицей), она вступает в реакцию с электроном, то есть со своей античастицей. При этом происходит аннигиляция, результатом которой в основном являются два гамма-кванта (два фотона в гамма-диапазоне);
– бета-излучение, воздействуя на живой организм, вызывает хроническую и острую лучевую болезнь, раковые опухоли, ожоги, а также смерть. Бета-лучи вызывают спонтанные мутации в ДНК;
– при столкновениях с атомами бета-частица может ионизировать атом или перевести его в возбуждённое состояние;
– при попадании бета-частиц на поверхность некоторого материала происходит обратное рассеяние. Обратное рассеяние – это физическое явление, при котором происходит отражение волн, частиц или сигналов в обратном направлении, то есть в сторону источника. Подобные явления имеют важные применения в радиолокации, астрономии, фотографии и УЗИ-исследованиях.
Биологический эффект и опасность бета-излучения:
Внешнее и внутреннее бета-излучение опасно для жизни и здоровья, вызывает хроническую и острую лучевую болезнь, раковые опухоли, ожоги, а также смерть.
Бета-лучи вызывают спонтанные мутации в ДНК.
Особую опасность для жизни и здоровья представляет также внутреннее облучение бета-излучением, бета-частицами – проникновение бета-активных радионуклидов внутрь тела через дыхательные пути или пищеварительный тракт, в результате чего облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма.
Применение бета-излучения:
– в медицине при лечении рака;
– при контроле качества для проверки толщины изделия. Часть бета-излучения поглощается при прохождении через изделие. Если продукт изготовлен слишком толстым или тонким, будет поглощаться соответственно различное количество излучения;
– в осветительном устройстве, называемое бета-лампой, которая содержит тритий и люминофор. Когда тритий распадается, он испускает бета-частицы; бета-частицы ударяются о люминофор, заставляя люминофор испускать фотоны. Данное освещение не требует внешнего питания и будет продолжаться до тех пор, пока существует тритий (а сами люминофоры химически не изменяются). Поскольку период полураспада трития составляет 12,32 года, то количество производимого света бета-лампой упадет до половины своего первоначального значения через 12,32 года,
– в качестве подсветки, например, стрелки часов и других приборов покрывают люминофором и тритием.
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Бета-частица
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com