واپاشی بتا چیست؟ — به زبان ساده

واپاشی بتا در حقیقت تابشی متشکل از ذرات الکترون یا پوزیترون و یکی از محصولات واکنش‌های هسته‌ای است. در این مطلب به بحث و بررسی واپاشی بتا می‌پردازیم و ویژگی‌ها و کاربردهای آن را بیان می‌کنیم.

انواع تابش به چند دسته تقسیم می‌شود؟

در فیزیک، تابش به معنای ساطع کردن یا انتقال انرژی به شکل موج یا ذره در فضای مادی است. انواع تابش‌ها را می‌توان به پنج دسته کلی تقسیم کرد که عبارتند از:

• تابش الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی، امواج مایکروویو، امواج مادون قرمز، نور مرئی، اشعه ماورا بنفش، اشعه ایکس و تابش گاما
• تابش ناشی از ذرات مانند تابش آلفا ($$\alpha$$)، تابش بتا ($$\beta$$)، تابش ناشی از پروتون‌ها یا تابش پروتونی و تابش ناشی از نوترون‌ها یا تابش نوترونی (ذرات با انرژی سکون غیر صفر)
• تابش صوتی مانند سونوگرافی، صدا و امواج لرزه‌ای. این امواج وابسته به محیط انتقال فیزیکی هستند.
• تابش گرانشی، تابشی که به شکل امواج گرانشی است یا در انحنای فضا-زمان حرکت می‌کند.

با معرفی انواع تابش‌ها در این مطلب در مورد تابش و واپاشی بتا صحبت می‌کنیم.

شیمی هسته‌ای چیست؟

شیمی هسته‌ای در حقیقت فرآیند مواجهه با هسته اتم‌هایی است که شکسته می‌شوند و بی وقفه در حال فروپاشی هستند. یک شکل عمومی در شیمی هسته‌ای برای معرفی ایزوتوپ‌ها وجود دارد که به شکل زیر است:

معادلات هسته‌ای نیز به شکلی که در ادامه نشان می‌دهیم نمایش داده می‌شوند. به صورت کلی پنج نوع فروپاشی رادیو اکتیوی وجود دارد که به اختصار در ادامه معرفی می‌کنیم.

واپاشی آلفا

$$^{X}_{Z}Arightarrow ^{4}_2He+^{X-4}_{Z-2}B$$

که $$A$$ ایزوتوپ والد و $$B$$ ایزوتوپ دختر است. وقتی عنصری واپاشی آلفا داشته باشد دو پروتون و دو نوترون از دست می‌دهد و به صورت معادله بالا نوشته می‌شود. واپاشی آلفا عموماً در عناصری با عدد اتمی بیشتر از ۸۳ رخ می‌دهد.

واپاشی بتا منفی

$$^{X}_{Z}Arightarrow ^{0}_{-1}e^{-1}+^{X}_{Z+1}B$$

در واپاشی بتا منفی عدد اتمی ایزوتوپ دختر با اضافه کردن یک پروتون، یک واحد افزایش می‌یابد در حالی که این ایزوتوپ یک نوترون نیز از دست می‌دهد. در نتیجه جرم ایزوتوپ دختر برابر با جرم ایزوتوپ والد است. واپاشی بتا بیشتر در عناصری با نسبت بالای نوترون به پروتون اتفاق می‌افتد.

واپاشی گاما

$$^{X}_{Z}Arightarrow ^{0}_{0}\gamma+^{X}_{Z}B$$

در واپاشی گاما عدد اتمی و عدد جرمی تغییر نمی‌کنند. تابش پر انرژی گاما زمانی حاصل می‌شود که ایزوتوپ والد به تراز انرژی پایین‌تر منتقل شود.

واپاشی بتا مثبت یا تابش پوزیترون

$$^{X}_{Z}Arightarrow ^{0}_{1}e+^{X}_{Z-1}B$$

در این حالت یک پوزیترون ساطع می‌شود. پوزیترون از نظر جرم و نیروی الکتریکی دقیقاً شبیه به یک الکترون است و تنها بار الکتریکی آن مثبت است. تابش پوزیترون عموماً در عناصری با نسبت نوترون به پروتون پایین رخ می‌دهد.

جذب الکترون یا الکترون گیری

$$^{X}_{Z}A+^{0}_{-1}erightarrow^{X}_{Z-1}B$$

در این واکنش هسته یک الکترون پوسته داخلی اتم خود را جذب می‌کند که در نتیجه عدد اتمی یک واحد کاهش می‌یابد. این فرآیند بیشتر در عناصر بزرگتر با نسبت نوترون به پروتون پایین رایج است. برای آشنایی بیشتر با واپاشی‌های پرتوزا می‌توانید مطلب واپاشی پرتوزا (Radioactive Decay) — به زبان ساده را مطالعه کنید.

رادیواکتیویته چیست؟

در فرایندهای رادیواکتیو تابش ذرات یا تابش‌های الکترومغناطیسی از هسته ساطع می‌شوند. متداول‌ترین اشکال تابش ساطع شده به طور سنتی به عنوان تابش آلفا $$\alpha$$، بتا $$\beta$$ و گاما $$\gamma$$ طبقه‌بندی می‌شوند. تابش هسته‌ای به شکل‌های دیگر از جمله انتشار پروتون، نوترون یا شکافت خود به خودی هسته نیز رخ می‌دهد.

از هسته‌های یافت شده روی زمین اکثریت قریب به اتفاق پایدار هستند. این بدان دلیل است که تقریباً تمام هسته‌های رادیواکتیو کوتاه مدت در طول تاریخ زمین از بین رفته‌اند. تقریباً 270 ایزوتوپ پایدار و 50 رادیو ایزوتوپ طبیعی (ایزوتوپ رادیواکتیو) وجود دارد و هزاران رادیوایزوتوپ دیگر در آزمایشگاه ساخته شده است.

 

اگر هسته محصول دارای انرژی اتصال هسته‌ای قوی‌تری نسبت به هسته اولیه در حال فروپاشی باشد، واپاشی پرتوزا یک هسته را به هسته دیگر تغییر می‌دهد. تفاوت در انرژی اتصال (مقایسه حالت قبل و بعد) تعیین می‌کند که از نظر انرژی کدام واپاشی ممکن است و کدام یک غیر ممکن است. انرژی اضافی اتصال به عنوان انرژی جنبشی یا انرژی جرم سکون محصولات واپاشی ظاهر می‌شود.

نمودار نوکلئیدها که بخشی از آن در تصویر بالا نشان داده شده نمودار هسته است که به عنوان تابعی از تعداد پروتون Z و تعداد نوترون N ترسیم شده است. تمام هسته‌های پایدار و هسته‌های رادیواکتیو شناخته شده که به طور طبیعی و یا آزمایشگاهی وجود دارند، همراه با خواص پرتوزایی‌شان بر روی این شکل نشان داده شده‌اند.

هسته‌هایی که در مقایسه با هسته‌های پایدار تعداد پروتون یا نوترون بیشتری دارند با تغییر پروتون‌ها به نوترون یا نوترون‌ها به پروتون، یا با ریختن نوترون یا پروتون به صورت منفرد یا به صورت ترکیبی به سمت هسته‌های پایدار پرتوزایی می‌کنند.

همچنین هسته‌ها در حالت برانگیخته نیز ناپایدار هستند اما در کمترین حالت انرژی خود نیستند. در این حالت هسته می‌تواند با خلاص شدن از انرژی اضافی خود بدون تغییر Z یا N و با انتشار اشعه گاما به حالت پایدار برگردد.

در فرآیندهای پرتوزایی هسته‌ای باید چند شرط پایستگی برقرار بماند، به این معنی که مقدار ماده‌ای که پس از پرتوزایی می‌ماند با در نظر گرفتن تمام محصولات واپاشی، باید برابر با همان مقدار ماده برای هسته قبل از واپاشی باشد. کمیت‌هایی که مقدار آن‌ها باید پایسته بمانند شامل انرژی کل (شامل جرم)، بار الکتریکی، تکانه خطی و زاویه‌ای، تعداد نوکلئون‌ها و تعداد لپتون‌ها (مجموع تعداد الکترون‌ها، نوترینوها، پوزیترون‌ها و آنتی نوترینوها و آنتی ذرات که به عنوان ذرات با علامت -۱ در نظر گرفته می‌شوند) است.

احتمال اینکه یک هسته خاص در طی مدت زمان مشخص پرتوزایی انجام دهد، به سن هسته یا نحوه ایجاد آن بستگی ندارد و اگر چه طول عمر دقیق یک هسته خاص قابل پیش‌بینی نیست اما می‌توان میانگین (یا متوسط) طول عمر یک نمونه را که حاوی هسته‌های زیادی از همان ایزوتوپ است را پیش بینی و اندازه گیری کرد.

یک روش مناسب برای تعیین طول عمر ایزوتوپ اندازه گیری مدت زمان پرتوزایی نیمی از هسته‌های یک نمونه است که این مقدار را نیمه عمر $$t_frac{1}{2}$$ می‌نامند. از هسته اصلی که واپاشی انجام نداده است اگر نیمه عمر دیگری منتظر بمانیم، نیمی دیگر از ماده باقیمانده دچار واپاشی می‌شود و یک چهارم نمونه اصلی را پس از دو نیمه عمر داریم. پس از سه نیمه عمر یک هشتم نمونه اصلی باقی خواهد ماند و این روند به همین صورت ادامه خواهد داشت. نیمه عمر اندازه گیری شده از کسرهای کوچک ثانیه تا میلیاردها سال بسته به نوع ایزوتوپ متفاوت خواهد بود.

تعداد هسته‌های نمونه اصلی که در یک بازه زمانی مشخص واپاشی می‌کنند متناسب با تعداد هسته‌های نمونه است. همانطور که در تصویر (۲) نشان داده شده است این وضعیت منجر به واپاشی رادیواکتیو می‌شود که آن را با تابع نمایی می‌توان نشان داد.

بر اساس این رابطه تعداد N از هسته‌های اصلی باقی مانده پس از گذشت زمان t از نمونه اصلی $$N_{0}$$ f با رابطه زیر بیان می‌شود:

$$N=N_{0}e^{-frac{t}{T}}$$

که در آن T میانگین عمر هسته‌های اصلی یا والد است. از این رابطه می‌توان نشان داد که $$t_{\frac{1}{2}}$$ برابر با $$0.693T$$ است. برای آشنایی بیشتر با نیمه عمر مواد پرتوزا مطلب نیمه عمر و محاسبات آن — به زبان ساده را مطالعه کنید.

ذرات بتا، آلفا و گاما چه هستند؟

ذرات آلفا حمل کننده بار مثبت هستند در حالی که ذرات بتا بار منفی را حمل می‌کنند. همچنین ذرات گاما خنثی هستند. ذرات آلفا شامل دو پروتون و دو نوترون هستند که به یکدیگر متصل شده‌اند. این در حالی است که ذرات بتا الکترون‌های با انرژی بالا هستند و گاما تابش‌های الکترومغناطیس و شامل فوتون‌ها هستند.

در مقایسه با سایر اشکال واپاشی مانند تابش گاما یا واپاشی آلفا، واپاشی بتا روندی نسبتاً کندی دارد و نیمه عمر واپاشی بتا هرگز کوتاهتر از چند میلی ثانیه نیست.

واپاشی بتا چیست؟

واپاشی بتا هر یک از سه فرایند تجزیه رادیواکتیو را می گویند که طی آن برخی هسته‌های اتمی ناپایدار به طور خود به خود انرژی اضافی خود را پراکنده می‌کنند و بدون تغییر در عدد جرمی، بار آن‌ها یک واحد افزایش می‌یابد.

ذرات بتا، الکترون یا پوزیترون (الکترون‌هایی با بار الکتریکی مثبت یا پاد الکترون) هستند. فروپاشی یا واپاشی بتا زمانی اتفاق می‌افتد که در یک هسته با پروتون‌های زیاد یا تعداد زیادی نوترون، یکی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها به دیگری تبدیل شود. واپاشی بتا را می‌توان به دو دسته کلی بتا مثبت و بتا منفی تقسیم بندی کرد.

در واپاشی بتا منفی، نوترون به پروتون، الکترون و آنتی نوترینو تبدیل می‌شود و داریم:

$$\nrightarrow p+e^{-}+nu_e^-$$

در واپاشی بتا مثبت نیز یک پروتون به یک نوترون، یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می‌شود و داریم:

$$prightarrow n+e^{+}+nu_e$$

هر دو واکنش بتا مثبت و بتا منفی ممکن است در یک واکنش رخ دهند زیرا در مناطق مختلف نمودار تصویر (۱)، یک یا چند فرآیند ممکن است محصول را به منطقه پایداری نزدیک کنند. این واکنش‌های خاص به دلیل برقرار ماندن قوانین پایستگی اتفاق می‌افتند.

پایستگی بار الكتریكی ایجاب می‌كند كه اگر یك نوترون خنثی از نظر الكتریكی تبدیل به یک پروتون با بار مثبت شود، باید یک ذره منفی از نظر الكتریكی (در این مورد یک الکترون) نیز تولید شود. به همین ترتیب پایستگی تعداد لپتون مستلزم این است که اگر یک نوترون (تعداد لپتون = 0) به پروتون (تعداد لپتون = 0) و الکترون (تعداد لپتون = 1) تبدیل شود، یک ذره با تعداد لپتون $$-1$$ که در این مورد آنتی نوترینو است نیز باید تولید شود. لپتون‌های ساطع شده در واپاشی بتا قبل از واپاشی در هسته وجود نداشته‌اند و در لحظه واپاشی ایجاد می‌شوند.

بر اساس نتایج به دست آمده یک پروتون تنها یا یک هسته هیدروژن با الکترون یا بدون آن واپاشی انجام نمی‌دهد. با این وجود در درون هسته فرآیند واپاشی بتا می‌تواند یک پروتون را به یک نوترون تبدیل کند. نوترون جدا شده ناپایدار است و با نیمه عمر 10٫5 دقیقه واپاشی انجام می‌دهد.

اگر یک هسته پایدارتر حاصل شود نیز نوترون در هسته واپاشی می‌کند و نیمه عمر واپاشی آن به ایزوتوپ بستگی دارد. اگر باز هم این فرآیند منجر به تولید یک هسته پایدارتر شود، ممکن است یک پروتون در یک هسته یک الکترون را از اتم گرفته (جذب الکترون) و به یک نوترون و یک نوترینو تبدیل کند.

واپاشی پروتون، واپاشی نوترون و جذب الکترون سه راهی است که می‌تواند پروتون را به نوترون یا بالعکس تبدیل کند. در هر واپاشی تغییر در عدد اتمی وجود دارد، به طوری که اتم‌های والد و دختر متفاوت هستند. در هر سه فرآیند گفته شده عدد جرمی نوکلئون‌ها یکسان باقی می‌ماند در حالی که تعداد پروتون‌ها (Z) و نوترون‌ها (N) (عدد اتمی) یک واحد کاهش یا افزایش خواهد داشت.

در واپاشی بتا تغییر در انرژی اتصال ذرات به عنوان انرژی جرمی و انرژی جنبشی ذره بتا، انرژی نوترینو و انرژی پس زنی جنبشی هسته دختر ظاهر می‌شود. انرژی یک ذره بتا ساطع شده از یک واپاشی خاص می‌تواند طیف وسیعی از مقادیر را به خود اختصاص دهد، زیرا انرژی می تواند از جهات گوناگون بین سه ذره تقسیم شود در حالی که باید قانون پایستگی انرژی و تکانه در آن برقرار باشد.

واپاشی بتا چند گونه است؟

واپاشی بتا سه نوع یا گونه دارد که اصطلاحاً به آن‌ها واپاشی بتا مثبت، بتا منفی و الکترون گیری می‌گوییم. تفاوت این سه گونه واپاشی بتا را در ادامه بیان می‌کنیم.

در واپاشی بتا منفی که به آن تابش الکترون نیز می گویند و با $$\beta^{-}$$ نمایش می‌دهیم، یک هسته ناپایدار یک الکترون پر انرژی با جرم نسبتاً کم و یک آنتی نوترینو با جرم سکون صفر یا بسیار کم ساطع می‌کند و یک نوترون در ایزوتوپ دختر یا محصول به پروتون تبدیل می‌شود و در محصول واکنش باقی می‌ماند.

برای مثال هیدروژن-۳ با عدد اتمی ۱ و عدد جرمی ۳ در واپاشی بتا منفی به هلیم-۳ با عدد اتمی ۲ و عدد جرمی ۳ تبدیل می‌شود.

در تابش پوزیترون که به آن واپاشی بتا مثبت نیز می‌گوییم و با $$\beta^{+}$$ نمایش می‌دهیم، یک پروتون در هسته والد به یک نوترون تبدیل می‌شود که در هسته دختر باقی می‌ماند و هسته یک نوترینو و یک پوزیترون ساطع می‌کند که در جرم شبیه به الکترون هستند و تنها بار الکتریکی متفاوتی دارند. تابش پوزیترون برای اولین بار توسط «ایرن و فردریک جولیوت کوری» (Irène and Frédéric Joliot-Curie) در سال 1934 مشاهده شد.

در فرآیند الکترون گیری یا جذب الکترون، یک الکترون در حال چرخش به دور هسته با یک پروتون هسته‌ای ترکیب می شود و یک نوترون تولید می‌کند که در هسته می‌ماند و یک نوترینو ساطع می‌شود. معمولاً الکترون از درون سلول یا لایه K الکترون‌های اطراف اتم گرفته می‌شود. به همین دلیل این فرآیند اغلب جذب K یا K-capture نیز نامیده می‌شود (برای آشنایی با لایه‌های الکترون مطلب اوربیتال و آرایش الکترونی — به زبان ساده را مطالعه کنید). در نتیجه همانند انتشار پوزیترون در این فرآیند نیز بار مثبت هسته‌ای و عدد اتمی یک واحد کاهش می‌یابد و عدد جرمی ثابت می‌ماند.

چه کسی واپاشی بتا را کشف کرد؟

واپاشی بتا توسط «ارنست رادرفورد» (Ernest Rutherford) و زمانی که او مشاهده کرد که رادیواکتیویته یک پدیده ساده نیست، نامگذاری شد. وی تابش‌های کم نفوذ را آلفا و پرتوهایی که نفوذ بیشتری داشتند را بتا نامید. اکثر ذرات بتا با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند.

ذرات تشکیل دهنده تابش بتا چیست؟

همان طور که گفته شد تابش بتا الکترون و پوزیترون هستند که ساطع می‌شوند. اگر ذره الکترون باشد، این واپاشی را بتا منفی می‌نامیم و اگر ذره ساطع شده پوزیترون باشد آن را واپاشی بتا مثبت می‌گوییم.

کاربرد پرتو بتا چیست؟

از ذرات بتا می‌توان برای درمان بیماری‌هایی مانند سرطان چشم و استخوان استفاده کرد و همچنین به عنوان ردیاب نیز استفاده می‌شوند. استرانسیم -90 ماده‌ای است که معمولاً برای تولید ذرات بتا استفاده می‌شود.

ذرات بتا همچنین در کنترل کیفیت برای آزمایش ضخامت مورد نیاز برای مواردی مانند صفحات کاغذ از طریق سیستم غلطک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. بدین منظور مقداری از تابش بتا هنگام عبور از محصول مورد بررسی جذب می‌شود، اگر محصول بیش از حد ضخیم یا نازک ساخته شده باشد میزان متفاوتی از اشعه جذب می‌شود و بدین ترتیب می‌توان ضخامت محصول را بررسی کرد. در نتیجه یک ناظر رایانه‌ای که کیفیت کاغذ تولید شده را کنترل می‌کند غلتک‌ها را برای تغییر ضخامت محصول نهایی حرکت می‌دهد.

یک دستگاه روشنایی به نام «بتا لایت» (betalight) حاوی تریتیوم و فسفر است. با واپاشی تریتیوم، ذرات بتا ساطع می‌شوند، این ذرات به فسفر برخورد می‌کنند و باعث می‌شوند که فسفر فوتون ساطع کند، دقیقاً مانند آن چه در لوله تابش کاتد در تلویزیون رخ می‌دهد. در این دستگاه روشنایی به هیچگونه منبع خارجی احتیاج ندارد و تا زمانی که تریتیوم وجود داشته باشد و فسفرها از نظر شیمیایی تغییر ماهیت نداده باشند به کار خود ادامه می‌دهد. همچنین مقدار نور تولید شده در 12٫32 سال یعنی نیمه عمر تریتیوم به نصف مقدار اولیه خود کاهش می‌یابد.

از کاربردهای واپاشی بتا مثبت یا تابش پوزیترون می‌توان به ایزوتوپ ردیاب رادیواکتیو اشاره کرد که منبع پوزیترون‌های مورد استفاده در توموگرافی انتشار پوزیترون (اسکن PET) است.

آیا تشعشعات ناشی از واپاشی بتا برای بدن ضرر دارد؟

مواد رادیواکتیو که ذرات آلفا و بتا ساطع می‌کنند اگر بلعیده، استنشاق، جذب یا تزریق شوند بیشترین آسیب را دارند. اشعه یا تابش گاما بیشترین سطح خطر را برای بدن دارد. ذرات بتا می‌توانند تا حدی به پوست نفوذ کرده و باعث سوختگی از نوع بتا شوند و ذرات آلفا نمی‌توانند به پوست سالم فرد نفوذ کنند.

بازه انرژی تابش بتا چه قدر است؟

تابش بتا در حقیقت شامل الکترون‌هایی است که با سرعت زیاد حرکت می‌کنند. این تابش دارای بازه انرژی بین چند صد کیلو الکترون ولت تا چندین مگا الکترون ولت است.

ویژگی‌های مهم واپاشی بتا چیست؟

تابش ناشی از واپاشی بتا را تابش بتا می‌گوییم و از ویژگی‌های مهم آن می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• تابش بتا ممکن است چندین متر در هوا حرکت کند و قدرت نفوذ آن متوسط است.
• تابش بتا می‌تواند به پوست انسان نفوذ کند و به لایه زاینده جایی که سلول‌های جدید پوست تولید می‌شوند، وارد شود. اگر مقدار زیادی از تابش بتا برای مدت طولانی روی پوست بماند ممکن است باعث آسیب دیدگی پوست شود.
• اگر تابش بتا به داخل نفوذ کند خطر دارد و برای بدن مضر است.
• بیشتر تابش‌های بتا را می‌توان با ابزار ردیاب تشعشع و پروب‌های گایگر مولر (GM) با صفحه نازک (به عنوان مثال نوع پنکیک) تشخیص داد. برخی از انتشار دهنده‌ها، تابش بتای بسیار کم انرژی و نفوذ ناپذیر تولید می‌کنند که تشخیص آن دشوار یا غیرممکن است. نمونه‌هایی از این انتشار دهنده‌های بتا که به سختی قابل تشخیص هستند شامل هیدروژن 3 (تریتیوم)، کربن 14 و گوگرد 35 هستند.

• لباس مقداری محافظت در برابر اشعه بتا ایجاد می‌کند.
• نمونه‌هایی از برخی انتشار دهنده‌های خالص تابش بتا شامل استرانسیم -90، کربن -14، تریتیوم و گوگرد -35 هستند.

جمع‌بندی

در این مطلب در  مورد واپاشی بتا صحبت کردیم. برای ورود به بحث ابتدا انواع تابش‌ها را معرفی کردیم و سپس در مورد رادیواکتیویته صحبت کردیم. در ادامه به معرفی انواع واکنش‌ها در فرآیندهای هسته‌ای پرداختیم و بدین ترتیب واپاشی بتا را توضح دادیم. همچنین در مورد انواع واپاشی‌های بتا صحبت کردیم و تفاوت‌های آن‌ها را با یکدیگر بیان کردیم. در نهایت کاربردهای تابش بتا در زندگی را مورد بحث و بررسی قرار دادیم.