معادلة اضمحلال بيتا

تحلل بيتا ينتج من ثلاث عمليات تفكك إشعاعي تقوم من خلالها بعض النوى الذرية غير المستقرة بتفكيك الطاقة الزائدة بشكل عفوي، وتخضع لتغيير وحدة واحدة من الشحنة الموجبة دون أي تغيير في عدد الكتل، والعمليات الثلاثة هي انبعاث الإلكترون والإرسال البوزيتروني أي الإلكترون الإيجابي، والتقاط الإلكترون، وقد ذكر إرنست رذرفورد اسم إضمحلال بيتا عام 1899 عندما لاحظ أن النشاط الإشعاعي ليس ظاهرة بسيطة، وودعا أقل ألفا الأشعة اختراق وأكثر من الأشعة اختراق بيتا، ويتم إخراج معظم جسيمات بيتا بسرعات تقترب من الضوء .

ما هو اضمحلال بيتا

القوة الشديدة التي تربط الجسيمات معا من خلال الكواركات الملزمة داخل البروتونات والنيوترونات، والتي تربط النوى معا، ومع ذلك، يمكن للنواة التفكك أو التحلل بشكل طبيعي في العملية المعروفة باسم النشاط الإشعاعي، ويتضمن النشاط الإشعاعي نوعا واحدا يسمى تسوس بيتا، حيث تنبعث من النواة إلكترون وتزيد شحنتها الإيجابية الصافية بوحدة واحدة، وتم اكتشاف هذا النوع من النشاط الإشعاعي في أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر، ولكن لم يتم فهمه بشكل صحيح حتى اكتشاف النيوترون في عام 1932 .

تحلل أو معادلة بيتا

يحول التسوس التفاعل النووي النووة ذات النواة الضعيفة إلى نواة ذات عدد ذري مزيد بواحد، مع إطلاق إلكترون ويحدث الانحلال عموما في نواة غنية بالنيوترونات. المعادلة العامة هي: A ZX → A Z + 1X’+ e− + νe  .

حيث A و Z هما الرقم الشامل والعدد الذري للنواة المتحللة، و X و X’هما العنصران الأولي والنهائي على التوالي، ومثال آخر هو عندما يتحلل النيوترون الحر 10 ن بالتحلل في بروتون p: n → p + e− + νeعلى المستوى الأساسي يحدث بسبب تحويل الكوارك النزولي المشحون سالبا إلى الشحنة الكوارزية المشحونة بواسطة انبعاث من البوزونوW و يتحلل البوزون W في وقت لاحق إلى إلكترون .

طبيعة اضمحلال بيتا

جميع الذرات التي تحتوي على نواة أثقل من الهيدروجين العادي تتكون من نيوترونات وبروتونات، وهي جزيئات محايدة وموجبة إيجابيا على التوالي، وتحيط بها الإلكترونات السالبة. ولا تشارك هذه الإلكترونات المدارية في انبعاث الإلكترون المرتبط بتحلل بيتا، الذي يسمى أيضا تسوس بيتا سلبي ويرمز له باسم β−decay. وتمثل هذه العملية انحلالا لنواة غير مستقرة، حيث يتم إطلاق إلكترون حيوي صغير نسبيا، ويكون مضادا للنتروتين، بالإضافة إلى كتلة صغيرة أيضا، ويؤدي هذا الانحلال إلى تحول النيوترون في النواة. وبالتالي، يصبح عدد البروتونات في النواة (أي العدد الذري) أكبر من أصله، لكن العدد الكلي للنيوترونات والبروتونات يبقى ثابتا. وعلى سبيل المثال، يتحلل الهيدروجين-3 (وهو عنصر يتكون من عدد ذري يساوي 1 وكتلة تساوي 3) إلى الهيليوم-3 (وهو عنصر يتكون من عدد ذري يساوي 2 والعدد الكلي للجزيئات يساوي 3). وتتم مشاركة الطاقة المفقودة من النواة بين الإلكترون والنيوترينو المضاد، حيث تتراوح طاقة جسيمات بيتا الإلكترونات من صفر إلى أقصى حد ممكن، وهذه خاصية للنواة غير المستقرة .

انبعاث البوزيترون

يطلق عليه أيضا تسوس بيتا الإيجابي (β + -decay)، حيث يحدث تحلل البروتون في النواة الأصلية إلى نيوترون، مما يؤدي إلى تكوين نواة صغيرة. تطلق النواة نيوترينو وبوزيترون، وهو جسيم إيجابي يمتلك كتلة مماثلة للإلكترون العادي. وبهذه الطريقة، يحدث تسوس بيتا إيجابي في النواة الصغيرة، ويكون للنواة الجديدة عدد ذري أقل من النواة الأصلية، ولكن العدد الكتلي يظل نفسه. وقد تم اكتشاف انبعاث البوزيترون لأول مرة في عام 193 بواسطة إيرين وفريدريك جوليو كوري .

الإلكترون في اضمحلال بيتا

في عملية الاحتجاز الإلكتروني، يتحد الإلكترون ويدور حول النواة مع البروتون النووي لإنتاج النيوترون، ويبقى داخل النواة، وينبعث نيوترينو، والإلكترون الأكثر شيوعا هو تلك الذي يتم الاستيلاء عليه من القشرة الداخلية K، ولذلك غالبا ما يشار إلى هذه العملية بـ K-capture كما هو الحال في انبعاث البوزيترون، وتنخفض الشحنة النووية الإيجابية وبالتالي ينخفض العدد الذري بواحدة، ويبقى العدد الكتلي كما هو .

يتكون كل عنصر كيميائي من مجموعة من النظائر التي تحتوي نواتها على نفس عدد البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات داخل كل مجموعة، وتكون نظائر الكتلة المتوسطة مستقرة أو على الأقل أكثر استقرارا من البقية، وبالنسبة لكل عنصر فإن النظائر الأخف هي تلك النقص في النيوترونات، وتميل عموما نحو الاستقرار عن طريق انبعاث البوزيترون أو التقاط الإلكترونات، في حين أن النظائر الأثقل هي تلك الغنية بالنيوترونات، وتقترب عادة من الثبات بواسطة انبعاث الإلكترون، وبالمقارنة مع أشكال أخرى من النشاط الإشعاعي، مثل غاما أو اضمحلال ألفا، فإن انحلال بيتا هو عملية بطيئة نسبيا .

الانحلال النووي

تشير معدلات الانحلال النووي إلى أن أي قوة تتدخل في انحلال بيتا يجب أن تكون أضعف بكثير من القوة التي تربط النوى معا، وقد يبدو من غير المعقول التفكير في وجود قوة نووية قادرة على تعطيل النواة، ومع ذلك، يحدث تحويل النيوترون إلى بروتون في تساوي النيوترون ويمكن مقارنته بتبادل البايونات المقترحة من قبل يوكاوا لشرح قوة الربط النووي، وفي الواقع، حاولت نظرية يوكاوا في الأصل شرح النوعين من الظواهر، وضعف الانحلال والربط القوي، ومع تبادل نوع واحد من الجسيمات وتوفير قوة مختلفة، اقترح أن جسيمات البورصة تتضاعف بقوة مع النيوترونات الثقيلة والبروتونات وتضعف مع الإلكترونات الخفيفة والنيوترينو .