انحلال بيتا في فيزياء الكم

تم تسمية انحلال بيتا بسبب أن النشاط الإشعاعي ليس ظاهرة بسيطة، وأطلق على الأشعة الأقل اختراقًا اسم ألفا والأشعة المخترقة بيتا، تنبثق معظم جسيمات بيتا بسرعات تقترب من سرعة الضوء، حيث إن جميع الذرات الأثقل من الهيدروجين العادي لها نواة تتكون من نيوترونات وبروتونات (جسيمات محايدة وشحنة موجبة على التوالي)، محاطة بإلكترونات سالبة.

لا تشارك هذه الإلكترونات المدارية في انبعاث الإلكترون المرتبط بتآكل بيتا ويسمى أيضًا اضمحلال بيتا السالب، حيث تبعث النواة غير المستقرة إلكترونًا نشطًا (ذو كتلة صغيرة نسبيًا) ومضاد نيوترينو (مع كتلة قليلة أو ربما لا توجد كتلة)، ويصبح النيوترون في النواة بروتونا يبقى في نواة المنتج.

وبالتالي ينتج عن اضمحلال بيتا السالب نواة ابنة، يكون عدد البروتونات (العدد الذري) منها أكبر بواحد من أصلها، ولكن العدد الكتلي هو نفسه، إن الطاقة التي تفقدها النواة يتقاسمها الإلكترون ومضاد النوترينو، لذلك فإن جسيمات بيتا (الإلكترونات) لها طاقة تتراوح من صفر إلى حد أقصى مميز يميز الوالد غير المستقر.

ماذا يحدث أثناء اضمحلال بيتا

اضمحلال بيتا هو اضمحلال إشعاعي ينبعث فيه شعاع بيتا من نواة الذرة، فأثناء تحلل بيتا، يتحول البروتون في النواة إلى نيوترون والعكس صحيح، إذا تم تحويل البروتون إلى نيوترون، فإنه يُعرف باسم β ⁺ الاضمحلال.

وبالمثل، إذا تم تحويل النيوترون إلى بروتون، فإنه يُعرف باسم β ^– الاضمحلال، وبسبب التغيير الحاصل في النواة، ينبعث جسيم بيتا، حيث أن جسيم بيتا هو إلكترون عالي السرعة عندما يكون β – الاضمحلال والبوزيترون عندما يكون β ⁺ الاضمحلال؛تُستخدم جزيئات بيتا في علاج الحالات الصحية مثل سرطان العين والعظام، كما تُستخدم أيضًا كإشعاعات طبية.

نظرية فيرمي عن تحلل بيتا

توضح نظرية فيرمي عن تحلل بيتا أو تفاعل فيرمي تحلل بيتا بواسطة إنريكو فيرمي في عام 1933، أنشأ العالم فيرمي أول مفاعل نووي في العالم، حيث اقترح أن تتفاعل أربع فرميونات مباشرة مع بعضها البعض عند قمة واحدة، ويفسر هذا التفاعل تحلل بيتا عن طريق الاقتران المباشر بين نيوترون وإلكترون ونيوترينو (تم تحديده لاحقًا على أنه مضاد نيوترينو) وبروتون.

حدوث اضمحلال بيتا النموذجي

إن الذرات الناتجة عن التحلل الإشعاعي في معظم الأوقات تكون قريبة من مكان إنتاجها، ولكنها إذا تحللت فقد تؤدي إلى تغير في البروتوكولات والهندسة والتقاط الإلكترون والانشطار التلقائي، فجميع أحداث الاضمحلال الإشعاعي عفوية، وتعمل على طرد الطاقة.

في وقت حدث الاضمحلال تنقسم طاقة الاضمحلال إلى الذرة أي جسيمات وإشعاع فوتوني، ويتحول النيوترون إلى إلكترون (جسيم بيتا) وبروتون، بالإضافة إلى جسيم بيتا ثالث بديل، وفي حدث اضمحلال بيتا النموذجي، يتم تقسيم كل طاقة الاضمحلال، حيث يحمل جدول رسوم فرض القيود التي تفرض الحفاظ على الزخم والأيون المتبقي الأيون المتبقي من الرسوم المتحركة الصغيرة.

على سبيل المثال، يتحلل ⁶⁰ Co بواسطة اضمحلال بيتا، ويكون ذو طاقة قصوى تبلغ حوالي 0.3 مليون إلكترون فولت (0.3 ميجا فولت)، تكون طاقة مضادات النيترينو صفرًا، وهذه الكمية صغيرة من الطاقة تكفي لكسر رابطة كيميائية أو اثنتين، ولكنها غير متوفرة في معظم الحالات على الكتلة العضلية من محيطها، وسرعان ما يصبح الأيون متعادلًا كهربائيًا عن طريق التقاط إلكترون من المنطقة المحلية التي ولد فيها.

أنواع اضمحلال بيتا

إن انحلال بيتا يعد نوع من الاضمحلال الإشعاعي الذي يتحول فيه البروتون إلى نيوترون أو العكس داخل نواة العينة المشعة، وهناك نوعان من هذا الانحلال لبيتا وهما، بيتا ناقص (β ^–) وبيتا زائد (β ⁺).

تسوس بيتا ناقص (β – )

• في بيتا ناقص يتم تحويل النيوترون لإنتاج بروتون، مما يتسبب في زيادة العدد الذري للذرة والنيوترون محايد، لكن البروتون موجب.

• للحفاظ على الشحنة، تنتج النواة في العملية أيضًا إلكترونًا ومضاد نيوترينو.

• (Antineutrino) هو نظير المادة المضادة للنيوترينو، وكلاهما عبارة عن جسيمات محايدة ذات كتلة ضئيلة، يتفاعلون مع المادة بشكل ضعيف للغاية ويمكنهم حتى المرور عبر الأرض بأكملها دون إزعاج.

• أمثلة تسوس بيتا ناقص تحلل ¹⁴ درجة مئوية إلى ¹⁴ نيوتن وعادة ما يحدث في النوى الغنية بالنيوترونات.

تسوس بيتا زائد (β + )

• في اضمحلال بيتا زائد، يتفكك البروتون لينتج نيوترونًا مما يؤدي إلى انخفاض في العدد الذري للعينة المشعة، وتتعرض النواة لفقدان البروتون لكنها تكتسب نيوترونًا.

• مرة أخرى، الحفاظ على الشحن مهم، بيتا زائد الاضمحلال من أجل إطاعة قانون الحفظ ينتج أيضًا بوزيترون ونيوترينو.

• البوزيترون هو المادة المضادة المكافئة للإلكترون، والشيء نفسه في جميع الجوانب باستثناء أن البوزيترون له شحنة موجبة.

• يمكن أن يحدث تسوس بيتا زائد فقط إذا كانت نواة الابنة أكثر استقرارًا من نواة الأم، ويذهب هذا الاختلاف إلى تحويل البروتون إلى نيوترون وبوزيترون ونيوترينو، ولا توجد زيادة في عدد الكتلة لأن البروتون والنيوترون لهما نفس الكتلة.

تسوس بيتا المزدوج

•  في بعض الأحيان، يحدث تحللان لبيتا في وقت واحد تقريبًا، مما يؤدي إلى إطلاق إلكترونين واثنين من مضادات النترينو الإلكترونية، وهذا هو الاسم المناسب باسم تسوس بيتا المزدوج، وهناك عملية أكثر ندرة إن وجدت، ستكون تحلل بيتا المزدوج عديم النيوترونات.

•  في هذا التفاعل، سيصبح نيوترونان بروتونين، وسيؤدي التبادل الافتراضي للنيوترينو إلى إعادة امتصاص مضادات النيترينو المنبعثة من اضمحلال بيتا في الانحلال الثاني، وستحمل الإلكترونات كل الطاقة، لكن هذا يتطلب أن يكون للنيوترينوات خاصية خاصة .

• وهذا لا يكون ممكنًا إلا إذا كان مضادات النيترينو والنيوترينو متماثلان في الواقع، وهي خاصية من شأنها أن تجعلهما يطلق عليهما اسم ” جسيمات ماجورانا “، ويعتقد العديد من العلماء أن النيوترينوات هي بالفعل جسيمات ماجورانا، وهناك عدد من التجارب الدقيقة بشكل لا يصدق تبحث عن تحلل بيتا المزدوج عديم النيوترينوهات.

تستخدم معظم التجارب لدراسة اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترونات كمية كبيرة من مادة نقية جدًا وتبحث عن الإلكترونات التي تحمل كمية مميزة من الطاقة، وهذه الطريقة صعبة لأن أي كمية من إشعاع الخلفية تأتي من المعدات أو الغلاف الجوي أو المناطق المحيطة القريبة، حيث يمكن أن تخلق الكثير من الضوضاء والارتباك بحيث لا يمكن ملاحظة الانحلال دون أن يلاحظه أحد.

حتى النشاط الطبيعي للذرات التي ترتد حولها يمكن أن يسبب مشاكل، لذلك غالبًا ما تعمل التجارب في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي، وبعض العناصر الأكثر شيوعًا المستخدمة في هذه التجارب تشمل الجرمانيوم والكادميوم والزينون.

في اضمحلال بيتا، يظهر التغيير في طاقة الارتباط كطاقة الكتلة والطاقة الحركية لجسيم بيتا وطاقة النيوترينو والطاقة الحركية لنواة الابنة المرتدة، ويمكن أن تأخذ طاقة جسيم بيتا المنبعث من تحلل معين مجموعة من القيم؛ لأنه يمكن مشاركة الطاقة بعدة طرق بين الجسيمات الثلاثة مع الحفاظ على الطاقة والزخم.