Záření beta
Obsah boxu
Šablona:Infobox Fyzikální jev Záření beta (značeno řeckým písmenem β) je druh ionizující záření tvořený vysokoenergetickými a vysokorychlostními elektrony nebo pozitrony, které jsou emitovány z atomových jader během radioaktivního procesu zvaného rozpad beta. Tento proces umožňuje nestabilním jádrům přiblížit se stabilnější konfiguraci změnou jednoho nukleonu na jiný.
Existují dva hlavní typy rozpadu beta: rozpad beta minus (β⁻), při kterém je emitován elektron, a rozpad beta plus (β⁺), při kterém je emitován pozitron. Záření beta má střední pronikavost, větší než záření alfa, ale menší než záření gama. Může proniknout několika metry vzduchu nebo několika milimetry pevných látek, jako je hliník nebo plast. Díky své schopnosti ionizovat hmotu má významné využití v medicíně, průmyslu i vědě, ale představuje také zdravotní riziko.
⚛️ Podstata a typy
Rozpad beta je proces zprostředkovaný slabou jadernou interakcí. Během tohoto procesu se v jádře atomu změní jeden kvark na jiný, což vede k přeměně protonu na neutron nebo naopak. Hmotnostní číslo (A) jádra zůstává zachováno, zatímco protonové číslo (Z) se mění o jednotku.
Záření beta minus (β⁻)
Rozpad beta minus je nejběžnějším typem beta rozpadu. Dochází k němu v jádrech, která mají přebytek neutronů. Během tohoto procesu se jeden z neutronů (n) v jádře přemění na proton (p), přičemž dojde k emisi vysokoenergetického elektronu (e⁻) a elektronového antineutrina (antičástice neutrina).
Obecná rovnice rozpadu:
- n → p + e⁻ + ν̅ₑ
Důsledkem je, že protonové číslo jádra (Z) se zvýší o 1, zatímco hmotnostní číslo (A) zůstane stejné. Vzniká tak izobar původního prvku. Elektron, který opouští jádro, tvoří záření β⁻.
Příklady radionuklidů podléhajících β⁻ rozpadu:
- ³₁H → ³₂He + e⁻ + ν̅ₑ
- ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + e⁻ + ν̅ₑ
- Stroncium-90 (⁹⁰Sr) se rozpadá na Yttrium-90 (⁹⁰Y):
- ⁹⁰₃₈Sr → ⁹⁰₃₉Y + e⁻ + ν̅ₑ
Záření beta plus (β⁺)
Rozpad beta plus, známý také jako pozitronová emise, nastává v jádrech s přebytkem protonů. Jeden z protonů (p) se přemění na neutron (n), přičemž je emitován pozitron (e⁺, antičástice elektronu) a elektronové neutrino (νₑ).
Obecná rovnice rozpadu:
- p → n + e⁺ + νₑ
Protonové číslo jádra (Z) se sníží o 1, hmotnostní číslo (A) zůstává nezměněno. Pozitron je antičástice elektronu a po zpomalení v okolní hmotě rychle anihiluje s elektronem za vzniku dvou fotonů záření gama.
Příklady radionuklidů podléhajících β⁺ rozpadu:
- ¹¹₆C → ¹¹₅B + e⁺ + νₑ
- ¹⁸₉F → ¹⁸₈O + e⁺ + νₑ
- ²²₁₁Na → ²²₁₀Ne + e⁺ + νₑ
Záchyt elektronu
Procesem, který konkuruje rozpadu beta plus, je záchyt elektronu (někdy označován jako K-záchyt). Jádro s přebytkem protonů pohltí jeden z elektronů z vnitřní elektronové slupky (nejčastěji ze slupky K). Tento elektron se sloučí s protonem v jádře a vytvoří neutron a neutrino.
Obecná rovnice:
- p + e⁻ → n + νₑ
Výsledek pro jádro je stejný jako u β⁺ rozpadu (Z se sníží o 1, A zůstává), ale není emitován pozitron. Místo toho je emitováno charakteristické rentgenové záření nebo Augerovy elektrony, když se uvolněné místo ve vnitřní slupce zaplní elektronem z vyšší slupky.
📜 Historie objevů
- 1899: Ernest Rutherford při studiu radioaktivity uranu zjistil, že existují dva odlišné typy záření. To, které mělo menší pronikavost, nazval záření alfa, a to s větší pronikavostí nazval záření beta.
- 1900: Henri Becquerel změřil poměr náboje k hmotnosti (e/m) pro částice beta a zjistil, že je stejný jako u elektronu, čímž potvrdil jejich totožnost.
- 1914: James Chadwick ukázal, že na rozdíl od záření alfa, které má diskrétní energetické spektrum, mají částice beta spojité spektrum energií. To bylo v rozporu se zákonem zachování energie a hybnosti, protože pokud by se jádro rozpadalo jen na dvě částice, měla by emitovaná částice mít vždy stejnou energii.
- 1930: Wolfgang Pauli navrhl jako řešení tohoto problému existenci nové, neutrální a velmi lehké částice, kterou nazval "neutron" (později přejmenována Enricem Fermim na neutrino). Tato částice by odnášela chybějící energii a hybnost.
- 1934: Enrico Fermi formuloval ucelenou teorii beta rozpadu, která zahrnovala Pauliho neutrino a popsala proces pomocí nově objevené slabé jaderné interakce.
- 1956: Existence neutrina byla experimentálně potvrzena Clydem Cowanem a Frederickem Reinesem, čímž byla Fermiho teorie definitivně potvrzena.
⚙️ Fyzikální vlastnosti
Energetické spektrum
Klíčovou vlastností záření beta je jeho spojité energetické spektrum. Emitované elektrony nebo pozitrony mohou mít jakoukoli energii od nuly až po maximální hodnotu, označovanou jako Q-hodnota rozpadu. Tato maximální energie je charakteristická pro daný izotop.
Celková energie uvolněná při rozpadu (Q) se rozdělí mezi tři produkty: dceřiné jádro, beta částici a neutrino/antineutrino. Protože se energie dělí v různém poměru, má beta částice spojité spektrum. Průměrná energie beta částice je obvykle kolem jedné třetiny maximální energie (Q). Existence neutrina vysvětluje, proč se zdánlivě porušoval zákon zachování energie.
Pronikavost a dosah
Záření beta je výrazně pronikavější než záření alfa, ale méně pronikavé než záření gama.
- Vzduch: Částice beta mohou ve vzduchu urazit vzdálenost několika metrů.
- Měkké tkáně: Mohou proniknout několik milimetrů až centimetrů pod kůži, v závislosti na jejich energii.
- Pevné látky: K jejich odstínění stačí tenká vrstva materiálu. Například několikamilimetrová deska z hliníku nebo plexiskla je schopna pohltit většinu beta částic. Materiály s nízkým protonovým číslem jsou pro stínění vhodnější, protože minimalizují produkci brzdného záření.
💥 Interakce s hmotou
Při průchodu hmotou ztrácejí beta částice svou energii především dvěma způsoby:
Ionizace a excitace
Jako nabité částice interagují beta částice s elektronovými obaly atomů materiálu. Předávají svou energii elektronům, což vede k jejich ionizaci (vyražení z atomu) nebo excitaci (přechodu na vyšší energetickou hladinu). Tento proces je zodpovědný za biologické účinky záření a je základem jeho detekce v zařízeních, jako je Geiger-Müllerův počítač.
Brzdné záření (Bremsstrahlung)
Když je beta částice (elektron nebo pozitron) prudce zpomalena v elektrickém poli atomového jádra, vyzáří svou ztracenou kinetickou energii ve formě fotonu rentgenového záření. Tento jev se nazývá brzdné záření (z německého Bremsstrahlung). Pravděpodobnost vzniku brzdného záření roste s energií beta částice a s protonovým číslem (Z) materiálu stínění. Z tohoto důvodu se pro stínění beta záření používají materiály s nízkým Z (např. plast, hliník), aby se minimalizovala produkce sekundárního, pronikavějšího rentgenového záření. Těžké materiály jako olovo jsou méně vhodné jako primární stínění.
🔬 Využití v praxi
Záření beta má široké uplatnění v různých oborech.
Medicína
- Radioterapie: Některé beta zářiče se používají k léčbě nádorů. Například aplikátory se stronciem-90 se používají v očním lékařství k léčbě povrchových nádorů. Yttrium-90 se používá v cílené radionuklidové terapii.
- Nukleární medicína: Pozitronové zářiče (β⁺) jsou klíčové pro diagnostickou metodu pozitronová emisní tomografie (PET). Pacientovi je podána látka značená radionuklidem (např. fluorodeoxyglukóza značená fluorem-18), která se hromadí v metabolicky aktivních tkáních (např. nádorech). Emitované pozitrony anihilují s elektrony a produkují dva fotony gama, které jsou detekovány a použity k vytvoření 3D obrazu.
Průmysl a věda
- Měření tloušťky: Beta zářiče (např. krypton-85 nebo promethium-147) se používají v průmyslu k bezkontaktnímu měření a kontrole tloušťky tenkých materiálů, jako je papír, plastové fólie nebo kovové plechy. Množství záření, které projde materiálem, je nepřímo úměrné jeho tloušťce.
- Radiokarbonová metoda datování: Metoda datování organických materiálů je založena na rozpadu beta minus izotopu uhlík-14. Měřením poměru ¹⁴C a stabilního ¹²C lze určit stáří vzorku až do zhruba 50 000 let.
- Stopovací metoda (Tracery): Radionuklidy emitující beta záření, jako je tritium (³H) nebo fosfor-32 (³²P), se používají jako značkovače v biologickém a chemickém výzkumu ke sledování metabolických drah nebo průběhu chemických reakcí.
⚠️ Biologické účinky a ochrana
Záření beta je ionizující záření, což znamená, že má dostatek energie k poškození biologických tkání. Může poškodit DNA a další klíčové molekuly v buňkách, což může vést k mutacím, rakovinnému bujení nebo buněčné smrti.
- Vnější ozáření: Vysokoenergetické beta záření může proniknout svrchními vrstvami kůže a způsobit popáleniny, známé jako "beta popáleniny". Oči jsou obzvláště citlivé.
- Vnitřní kontaminace: Nebezpečí je mnohem větší, pokud se beta zářič dostane do těla (vdechnutím nebo požitím). V takovém případě ozařuje vnitřní orgány z bezprostřední blízkosti. Některé izotopy se navíc hromadí v konkrétních orgánech, např. jód-131 ve štítné žláze nebo stroncium-90 v kostech, kde nahrazuje vápník.
Ochrana před zářením beta spočívá ve třech základních principech: 1. Čas: Minimalizovat dobu strávenou v blízkosti zdroje. 2. Vzdálenost: Zvětšit vzdálenost od zdroje (intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti). 3. Stínění: Používat vhodné materiály k odstínění záření, jako je plexisklo, hliník nebo i silnější vrstva oděvu.
🧑🏫 Pro laiky: Co je záření beta?
Představte si atomové jádro jako malou, nestabilní kuličku energie. Aby se tato kulička stala stabilnější, musí se něčeho zbavit. V případě beta rozpadu se jedna z jejích vnitřních částic (neutron) promění na jinou (proton) a při tom "vyplivne" ven maličkou, neuvěřitelně rychlou částici – elektron. Tento letící elektron je právě záření beta.
- Je to jako malá kulka: Záření beta se chová jako miniaturní projektil. Je mnohem menší a rychlejší než záření alfa, takže dokáže proletět papírem nebo tenkým oděvem, ale zastaví ho například hliníková fólie nebo sklo.
- Může být nebezpečné i užitečné: Pokud tato "kulka" zasáhne buňky ve vašem těle, může je poškodit, podobně jako sluneční UV záření poškozuje kůži. Proto je třeba se před silnými zdroji chránit. Na druhou stranu, lékaři tuto vlastnost využívají. V metodě zvané PET skenování používají látky, které vysílají "hodnou" verzi beta záření (pozitrony), aby našli nádory v těle. V průmyslu se zase používá k měření, jak tlustý je například list papíru, aniž by se ho museli dotknout.
Stručně řečeno, záření beta je proud rychlých elektronů vyzářených z nestabilních atomů. Je to jeden ze základních způsobů, jak se příroda zbavuje přebytečné energie na té nejmenší úrovni.