Rozpad beta minus

Rozpad beta minus, przemiana β⁻ – sposób rozpadu jądra atomowego, podczas którego neutron ulega przemianie w proton oraz emitowany jest elektron e⁻ (promieniowanie beta) i antyneutrino elektronowe. Podstawą tego rozpadu jest przemiana kwarku dolnego w górny połączona z emisją wirtualnego bozonu W⁻, który w czasie około 10⁻²⁷ s rozpada się na parę elektron-antyneutrino elektronowe^[1].

Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta minus: Co-60, Na-24, C-14, H-3 (tryt).

Przykładowe zapisy rozpadów:

13755Cs → 13756Ba + e⁻ + ν_e

6027Co → 6028Ni + e⁻ + ν_e

2411Na → 2412Mg + e⁻ + ν_e

146C → 147N + e⁻ + ν_e

31H → 32He + e⁻ + ν_e

Ogólnie:

${\displaystyle _{Z}^{A}{\hbox{X}}\ \to \ _{Z+1}^{A}{\hbox{Y}}+W^{-}\to _{Z+1}^{A}{\hbox{Y}}+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}}$

${\displaystyle n^{0}\to p^{+}+W^{-}\to p^{+}+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}}$

Podczas rozpadu beta minus następuje przemiana neutronu w proton (na poziomie kwarków przemiana kwarku dolnego w górny), następnie emisja wirtualne bozonu pośredniczącego W⁻, który niemal natychmiastowo rozpada się na elektron oraz antyneutrino elektronowe^[2]. Emisja pary lepton-antylepton (w tym wypadku elektron-antyneutrino elektronowe) spowodowana jest zasadą zachowania liczby leptonowej (+1 dla leptonów, −1 dla antyleptonów).

Ze względu na trzyciałowy charakter rozpadu, oraz całą jego kinematykę. Zasada zachowania pędu w żaden sposób nie determinuje podziału pędu pomiędzy ciała, a jedynie nakazuje, aby końcowy wypadkowy wektor pędu równy był początkowemu. Pozwala to na wiele możliwych realizacji procesu oraz niemożliwość skwantowania energii emitowanego elektronu^[2].

Warunkiem niezbędnym, aby przemiana mogła zajść, jest by masa jądra początkowego była większa od masy jądra końcowego o więcej niż masa elektronu^[2].

${\displaystyle M(Z,A)>M(Z-1,A)+m_{e}.}$

Tak więc energia rozpadu ΔE_β- wynosi:

${\displaystyle \Delta E_{\beta -}=\left\{M(Z,A)-[M(Z+1,A)+m_{e}]\right\}\times c^{2}.}$

A po uwzględnieniu w bilansie elektronów na powłokach otrzymuje się:

${\displaystyle M_{A}(Z,A)=M(Z,A)+Zm_{e},}$

${\displaystyle M_{A}(Z+1,A)=M(Z+1,A)+(Z+1)m_{e},}$

więc:

${\displaystyle \Delta E_{\beta -}=\left\{[M(Z,A)+Zm_{e}]-[M(Z+1,A)+m_{e}+Zm_{e}]\right\}\times c^{2}=\left\{M_{A}(Z,A)-M_{A}(Z+1,A]\right\}c^{2},}$

z czego wynika:

${\displaystyle M_{A}(Z-1,A)c^{2}>M(Z-1,A)c^{2}.}$

Co oznacza, że przemiana beta minus może zajść tylko wówczas, gdy masa atomu początkowego jest większa od atomu końcowego^[2].

Diagram Feynmana dla rozpadu beta minus

Przypisy

1. Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka NiewodniczańskiegoI.F.J.H.N. PAN Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka NiewodniczańskiegoI.F.J.H.N., Rozpad beta neutronu, [w:] Przygoda z cząstkami [online], www.ifj.edu.pl [dostęp 2022-01-11].
2. Przemiana beta, [w:] JanJ. Pluta JanJ., Źródła promieniotwórcze, s. 5–6 [dostęp 2022-01-11].