mini|Beta-čestice su ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre. na slici je prikazan beta (minus) raspad.

mini|Beta (plus) raspad.

mini|Znak za opasnost od radioaktivnosti.

mini|Alfa-zračenje može zaustaviti papir; beta-zračenje može zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara; a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča.

mini|Elektronski uhvat.

mini|Otklon katodnih zraka (elektroni – plava linija) zbog utjecaja električnog polja (žuto).

mini|Dijagram prijelaza za vrste radioaktivnih raspada s neutronskim brojem N i atomskim brojem Z (prikazani su α, β±, p+ i n0 emisija, EC označava elektronski uhvat).

mini|Beta-zračenje otkriveno u maglenoj komori s izopropanolom (nakon umetanja umjetnog izvora radijacije - stroncij-90).

mini|Maglena komora s vidljivim linijama ionizirajućeg zračenja (kratke, debele: alfa-čestice; duge, tanke: beta-čestice).

mini|Vrijeme poluraspada radioaktivnih izotopa ili radionuklida. Treba zapaziti da se teoretska linija za stabilne isotope Z = N (Z – atomski broj i N - neutronski broj), razdvaja od stvarnog odnosa atomskog broja i neutrona, što znači da se s povećanjem atomskog broja, povećava i nestabilnost atomskih jezgri.

mini|Geigerov brojač.

mini|Nuklearna energija vezanja po nukleonu za neke izotope.

mini|Prva upotreba vodikove komore na mjehuriće za otkrivanje neutrina, 13. studenoga 1970., u Argonne National Laboratory. Ovdje neutrino udari u proton u atomu vodika; sudar se događa na mjestu na kojem s desne strane fotografije izlaze 3 traga.

mini|Beta svjetlost na ručnom satu.

Beta-čestica ili β-čestica je brzi elektron ili pozitron koji nastaje pri raspadu atomskih jezgri nekih radioaktivnih elemenata (takozvani beta-raspad). Beta-čestice su vrsta ionizirajućeg zračenja, koje ima dovoljno energije da u međudjelovanju s kemijskom tvari ionizira tu tvar. U međudjelovanju s kemijskom tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Takve posljedice mogu biti korisne, ali i vrlo štetne. "Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.

Beta-čestica je brzi elektron emitiran u beta-minus radioaktivnom raspadu ili brzi pozitron emitiran u beta-plus radioaktivnom raspadu. Njezina je masa jednaka masi elektrona, električni naboj može biti pozitivan ili negativan. Izbacivanjem beta-čestica iz atomske jezgre maseni broj atoma ne mijenja se, a atomski broj promijeni se za jedan. U beta-minus raspadu atomski broj poveća se za jedan, a u beta-plus raspadu atomski broj smanji se za jedan. Roj brzih beta-čestica čini beta-zračenje.

Beta-zračenje Beta-zračenje, beta-zrake ili β-zrake je čestično ionizirajuće zračenje koje se sastoji od roja beta-čestica, brzih elektrona ili pozitrona izbačenih iz teških atomskih jezgara. Propuštajući radioaktivno zračenje kroz tanke listiće aluminija, E. Rutherford je 1898. utvrdio da se mogu razlikovati dvije vrste zračenja uranijevih spojeva. Zračenje koje nije moglo proći kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 mm nazvao je alfa-zračenjem, a zračenje koje je prolazilo i kroz deblje pločice nazvao je beta-zračenjem. Otklonom beta-zračenja u električnom i magnetskom polju prepoznata su mnoga njegova svojstva (električni naboj, masa i brzina). Brzina je beta-čestica 0,5 do 0,9 brzine svjetlosti. U međudjelovanju beta-zračenja i kemijske tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Izlaganje živih organizama beta-zračenju štetno je za zdravlje.

Povijest Već 1900. bilo je poznato da jedan dio radioaktivnog zračenja može da skreće u magnetskom polju. E. Rutherford je na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listiće aluminija utvrdio da kod zračenja uranijevih spojeva postoje dvije vrste zraka. Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. Iste godine francuski znanstvenik P. Villard je otkrio i treću vrstu radioaktivnog zračenja, za koju se utvrdilo da ima veliku prodornu moć i da ne skreće u magnetskom polju, a nazvane su gama-česticama. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivni električni naboj, a beta-čestice negativan električni naboj.

1908. su Rutherford i H. Geiger mjerenjem utvrdili da alfa-čestice imaju dvostruki električni naboj, a da im je masa jednaka četverostrukoj masi atoma vodika. Kada alfa-čestica privuče dva elektrona, ona prelazi u atom helija. Iz toga je Rutherford zaključio da su alfa-čestice ustvari ioni helija ili samo atomska jezgra helija. Za beta-čestice se utvrdilo da se u magnetskom i električnom polju ponašaju isto kao i katodne zrake ili elektroni. To znači da su beta-čestice ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre.

Beta (minus) i beta (plus) raspad

Za razliku od alfa-raspada, kod beta-raspada, pri kojem atomska jezgra zrači elektron ili pozitron, ne dolazi do promjene atomske mase, već se samo atomski broj poveća ili smanji za jedan ili atomska jezgra se pretvori (transmutira) u novi kemijski element, koji je sljedeći ili prethodni redni broj u periodnom sustavu elemenata. "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.

Osim toga, pokusi su pokazali da elektroni koji nastaju prilikom beta-raspada imaju različite brzine, od nule do određene maksimalne vrijednosti, a to znači da imaju neprekinutu ili kontinuiranu raspodjelu energije. Sličan neprekinuti spektar pokazuje i pozitron, koji nastaje kod beta (plus) raspada. Kada govorimo o beta-česticama, onda mislimo i na beta (minus) – čestice i beta (plus) – čestice.

Budući da, prema kvantnoj teoriji, atomska jezgra ima određene razine energije ili kvante energije, onda bi i beta-čestice trebale imati određenu razinu ili kvant energije, a ne neprekinuti spektar energija. Iz toga možemo zaključiti da energija beta-čestica ne nastaje zbog prelaza iz jedne energetske razine u drugu. Prema tome, beta raspad ne udovoljava zakonu o očuvanju energije, a pokusi su pokazali da i ne zadovoljava zakon o očuvanju momenta količine gibanja. Pokusi su doveli u sumnju osnovne zakone gradnje atomskog jezgra.

Neutrino

W. Pauli je došao do zaključka da bi trebalo pretpostaviti postojanje jedne nove neutralne čestice, koja bi zajedno zračila s elektronom pri beta (minus) raspadu, čija je masa manja od mase elektrona u stanju mirovanja. Ovu česticu je Pauli nazvao neutrino, što na talijanskom jeziku znači nešto što je malo i neutralno. Prema ovoj pretpostavci izlazi da je nastala energija pri beta-raspadu raspodijeljena na elektron i neutrino, tako da bi bio zadovoljen zakonu o očuvanju energije. Pretpostavka je bila i da neutrino odnosi i spin od 1/2, tako da i ukupna vrijednost momenta količine gibanja bi bila jednaka 0 ili, čime bi bio zadovoljen i zakon o očuvanju momenta količine gibanja.

Na osnovu pretpostavki W. Paulija, E. Fermi je razradio teoriju beta raspada. Po njoj atomska jezgra ne sadrži slobodne elektrone i pozitrone, već samo protone i neutrone (nukleone). Elektroni i pozitroni koje emitira atomska jezgra, nastaju jedino kod beta-raspada, zbog pretvorbe neutrona u protone i protona u neutrone, slično kao što u atomu nema fotona, nego oni nastaju samo prilikom prelaska atoma iz jednog energetskog stanja u drugo. Mogućnost nastanka beta-čestica je uslovljeno stabilnošću atomske jezgre. Energija koja nastaje prilikom beta raspada rasporeduje se na beta-čestice i elektrone, odnosno pozitrone. Po toj teoriji postoje dvije vrste neutrina: neutrino i antineutrino.

Neutrino je otkriven tek 1956., a otkrio ga je američki fizičar Clyde Cowan, prilikom proučavanja nuklearnih reakcija u nuklearnom reaktoru. Japanski fizičar H. Jukava sa suradnicima je predvidio 1936., da atomi bogati protonima u atomskom jezgru, mogu uhvatiti elektron iz prve K-ljuske elektronskog omotača, čime bi se proton promijenio u neutron, uz istovremeno zračenje neutrina, što se naziva elektronski uhvat. "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.

Svojstva beta-čestica Brzina beta-čestica je različita za radioaktivne elemente ili radionuklide, a može iznositi od 75 000 do 298 000 km/s, a to znači od 25% do 99% brzine svjetlosti. Najveća brzina je izmjerena kod beta-raspada radija-226 i iznosi 99% brzine svjetlosti. Kako se brzina nekih beta-čestica približava brzinama svjetlosti, tako im se i masa povećava prema posebnoj teoriji relativnosti. Pokusi su pokazali da masa elektrona postaje to veća, kako im se brzina povećava, ili da su mase brzih elektrona veće od njihovih masa u mirovanju. To je bio ujedno i dokaz posebne teorije relativnosti. "Uvod u nuklearnu energetiku", Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.

Energije beta-čestica daju neprekinuti ili kontinuirani spektar energija i iznose od 0,025 do 3,15 MeV. Postoji i manji dio beta-čestica koje nastaju naknadnim djelovanjem u elektronskom omotaču elektrona i one daju linijski spektar energije. Istraživanja su pokazala da beta-čestice imaju puno manju sposobnost ionizacije plinova od alfa-čestica, ali su im dometi puno veći, i do nekoliko metara (alfa-čestice imaju domet nekoliko centimetara). Beta-čestice mogu prodrijeti kroz olovni lim debljine 1 mm, ali ih aluminijski lim debljine 3 mm upija (apsorbira). Kod prolaza beta-čestica kroz neku tvar može nastati i zakočno rendgensko zračenje (njem. bremsstrahlung).

Beta (minus) raspad ili elektronsko zračenje (β−) Nestabilne atomske jezgre koje imaju višak neutrona mogu spontano ostvariti beta (minus) raspad, gdje se neutron raspada u proton, uz zračenje elektrona i antineutrina (elektronski antineutrino ili antičestica neutrina):

n → p + e- + νe'

Beta (minus) raspad nastaje zbog djelovanja slabe nuklearne sile. Taj postupak se obično javlja u nuklearnim reaktorima, ako u nuklearnom gorivu ima nestabilnih atomskih jezgri s viškom neutrona.

Beta (plus) raspad ili pozitronsko zračenje (β+) Nestabilne atomske jezgre koje imaju višak protona mogu spontano ostvariti beta (plus) raspad, gdje se proton raspada u neutron, uz zračenje pozitrona i neutrina (elektronski neutrino ili antičestica neutrina):

p → n + e+ + νe

Beta (plus) raspad se može dogoditi samo unutar atomskog jezgra, kojem je nuklearna energija vezanja novonastalog kemijskog elementa ili izotopa veća od nuklearne energije vezanja kemijskog elementa iz kojeg je radioaktivni raspad započeo.

Beta radioaktivnost Poznato je da energetski najpovoljnija tvorba atomskih jezgara s približno jednakim brojem protona i neutrona. Tu se odmah nameće jedno pitanje. Kad su nastajale atomske jezgre u svemiru, tada se nisu mogle čestice udruživati u jezgre samo tako da nastanu samo oni sastavi kod kojih je broj protona i neutrona jednak. Nalaze li se jedanput na hrpi protoni i neutroni, tad će zbog privlačnih sila nastati po zakonu slučaja sve moguće kombinacije između protona i neutrona u jezgri. Kombinacije s jednakim brojem protona i neutrona samo su energetski najniže, ali s istom takvom vjerojatnošću mogu nastati sve druge kombinacije između sastavnih čestica jezgri. Međutim, sve se te kombinacije ne pojavljuju u prirodi, kako to pokazuje iskustveno ustanovljena simetrija između broja protona i neutrona. Je li priroda izvršila namjerno taj izbor energetski najnižih sastava jezgri? Ili postoji još jedan nepoznati mehanizam koji se brine za to da se naposljetku ostvari stanje s najnižom energijom?

Konačan odgovor na to pitanje bio je dan otkrićem umjetne beta radioaktivnosti od I. Joliot-Curie i F. Joliot-Curie 1934. Oni su obasjavali aluminij alfa-zrakama i pri tom su opazili da bivaju emitirani protoni, neutroni i pozitroni. Kad alfa-čestica prodre u atomsku jezgru aluminija, jedan proton ili neutron može biti izbačen. Ovu posljednju reakciju možemo pisati: