VIII HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
2.2 Phân rã β
Có thể định nghĩa phân rã β là q trình phân rã, trong đó điện tích của hạt nhân thay đổi một đơn vị điện tích nguyên tố, trong khi số nuclon thì vẫn giữ ngun. Có ba trường hợp phân rã β
là phân rã β−; phân rã β+ và phân rã bắt K.
Phân rã β−
Khi hạt nhân phân rã β− thì nó mất đi một hạt electron. Như vậy hạt nhân tăng thêm một đơn vị điện tích dương, hạt nhân dịch chuyển một ơ vị trí về phía sauZ+ 1. Tuy nhiên số khối A của
hạt nhân con không khác số khối của hạt nhân mẹ. Nói cách khác phân rã β− tạo thành một hạt nhân con đồng phân với hạt nhân mẹ, khác nhau một đơn vị điện tích.
Hiện tượng phân rãβ− được phát hiện của thế kỉ XIX. Khi đó q trình phân rã này được biểu diễn theo phương trình:
A
ZX −→A
Năm 1914, Chadwick đã tiến hành đo phổ năng lượng của các hạt β− bay ra và đưa ra một kết luận khá bất ngờ: phổ năng lượng của các hạt phóng xạβ− là một dường cong liên tục. Điều này sẽ dẫn đến kết quả không thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng. Cũng từ thực nghiệm này N.Bohr cho rằng trong trong lĩnh vực hạt nhân khơng có định luật bảo tồn năng và xung lượng.
Sau đó, vào năm 1933 Pauli giải thích theo một hướng khác. Ơng cho rằng, định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng vẫn thoả mãn trong lĩnh vực hạt nhân hạt nhân. Sỡ dĩ có mâu thuẫn với thực nghiệm là do trong phân rã β− cịn có một hạt vi mơ khác sinh ra mà chưa được tìm thấy. Theo tính tốn của Pauli, hạt này có khối lượng nghỉ bằng khơng, khơng mang điện và có spin bằng 1
2. Ơng gọi hạt này là nơtrinơ, kí hiệu là ν. Lí luận này đã được các nhà Vật lí thừa nhận.
Mãi đến năm 1956 thực nghiệm mới ghi nhân được sự có mặt của nơtrinô, nhưng từ lâu người ta đã tin rằng có có hạt nơtrinơ và cả phản hạt nơtrinơ, kí hiệu làν.˜
Như vậy phương trình phân rã β− là:
A ZX −→AZ+1 Y +0−1e+ ˜ν (VIII.20) Thí dụ 40 19K −→4020Ca+0−1e+ ˜ν 3 1H −→32 He+0−1e+ ˜ν Phân rã β+
Q trình phân rã β+ được ơng bà Joliot và Irene Curie phát hiện lần đầu vào năm 1934 bằng cách bắn phá hạt nhân 10
5 Bobằng dòng hạt α để thu được hạt nhân phóng xạ13
7 N. Hạt nhân13 7 N
phân rã β+ cho ta hạt nhân cácbon. Quá trình biến đổi theo phương trình sau:
4 2He+10 5 Bo−→13 7 N +1 0n 13 7 N −→136 C+01e+ν Chu kì bán rã của 13 7 N là 10 phút. Phân rã bắt K
Phân rã bắt K được tìm thấy lần đầu tiên vào năm 1937 bởi L.Alvares. Đó là hiện tượng hạt nhân bắt một electron ở lớp vỏ trong cùng (lớp K) và biến thành một hạt nhân có nguyên tử số là Z -1. Tuy nhiên vào năm 1948, B.M. Pontekovo ghi nhận được cả sự bắt electron ở lớp L của nguyên tử. Như vậy hạt nhân có thể bắt electron khơng chỉ ở lớp trong cùng, nhưng do thói quen ta vẫn gọi là phóng xạ bắt K. Trong phóng xạ bắt K khơng có hạt nào bay ra khỏi mẫu phóng xạ, chỉ có sự biến đổi hạt nhân nguyên tử trong mẫu đó. Chẳng hạn7
4Be thực hiện phóng xạ bắt K theo phương trình:
7
4Be+0−1e−→73 Li+ν
Các hệ thức năng lượng - Điều kiện phân rãβ
Gọi DY;De;De+;Dν;D˜ν là động năng của hạt nhân con Y, electron, pziton; nơtrinô và phản nơtrinơ, áp dụng định luật bảo tồn năng lượng cho các q trình phóng xạβ ta có:
M(A, Z)c2 =M(A, Z+ 1)c2+mec2+DY +De+D˜ν
M(A, Z)c2 =M(A, Z −1)c2+mec2+DY +De+ +Dν M(A, Z)c2+mec2 =M(A, Z −1)c2+DY +Dν
Trong thực tế ta không thể đo trực tiếp khối lượng hạt nhân mà chỉ xác định được khối lượng các nguyên tử nên ta có thể thay thế khối lượng hạt nhân được kí hiệu là M bằng khối lượng nguyên tử kí hiệu là Mnt. Để làm điều này ta cộng thêm vào hai vế của hai công thức đầu một lượng là Zmec2, cịn cơng thức thứ ba ta thêm vào (Z−1)mec2 ta sẽ được:
Mnt(A, Z)c2 =Mnt(A, Z+ 1)c2+DY +De+Dν˜
Mnt(A, Z)c2 =Mnt(A, Z−1)c2+ 2mec2+DY +De+ +Dν Mnt(A, Z)c2 =Mnt(A, Z−1)c2 +DY +Dν
Do động năng khơng âm nên ta có điều kiện xảy ra phân rã β là: Phân rã β−:
Mnt(A, Z)> Mnt(A, Z+ 1) (VIII.21) Phân rã β+:
Mnt(A, Z)> Mnt(A, Z −1) + 2me (VIII.22) Phân rã bắt K:
Mnt(A, Z)> Mnt(A, Z−1) (VIII.23) Từ các điều kiện trên ta có các nhận xét sau đây:
1. Các biểu thức VIII.21 và VIII.23 cho thấy, khơng thể có hai hạt nhân đồng phân bền vững lại có điện tích sai khác nhau một đơn vị điện tích. Nếu có một hạt nhân bền thì hạt nhân cịn lại sẽ phóng xạ β− hoặc phóng xạ bắt K.
2. Điều kiện VIII.22 thoả mãn thì điều kiện VIII.23 tự động thoả mãn. Như vậy một hạt nhân có khả năng phân rã β+ thì cũng có thể phân rã bắt K. Hay nói cách khác, một hạt nhân có thể đồng thời xảy ra phóng xạ β+ và phóng xạ bắt K. Thí dụ, sự chuyển từ 52
25M n sang 52
24Gr thì 35%
là do phân rã β+ và 65% là phân rã bắt K.
3. Một hạt nhân (A,Z) có thể thoả mãn đồng thời cả ba điều kiện trên, như vậy sẽ có thể xảy ra cả ba dạng phân rã. Chẳng hạn hạt nhân64
29Cuchuyển thành hạt nhân64
30Znbằng phóng xạβ−
với xác suất 40%, chuyển thành 64
28N i bằng phóng xạ β+ với xác suất là 20%, chuyển thành 64 28N i
bằng phóng xạ bắt K với xác suất 40%.
Phổ năng lượng - Vai trị của nơtrinơ
Như đã trình bày trong phần trên phổ năng lượng của hạt β+ hoặc β− là đường cong liên tục, nghĩa là các hạt β không phải là hạt đơn năng như các hạtα. Năng lượng này có giá trị phân bố
từ 0÷TM ax, vớiTM ax là hiệu năng lương của hạt các hạt nhân trước và sau phóng xạ. Tính chất liên tục của phổ năng lượng được giải thích do hiện tượng phân rã β bao giờ cũng kèm theo tạo ra hạt nơtrinơ. Nhờ có hạt nơtrinơ định luật bảo tồn Spin, bảo toàn năng lượng, định luật bảo tồn xung lượng trong phóng xạ này mới được thoả mãn. Hiện tượng phân rã β khác hiện tượng phân rã α ở chổ nó là hiện tượng phân rã nội nuclon, tức là do chính các nuclơn phân rã theo các phương trình sau:
1
0n −→11 p+0−1e−ν˜ và 1
1p−→01n+0−1e+ν (VIII.24) Hiện nay chúng ta đã xác định được cả hạt nơtrinô và phản nơtrinơ đều có khối lượng tĩnh bằng khơng (chưa thật chắc chắn), khơng mang điện và có spin là 1
2. Động năng và động lượng của các hạt này bay ra bù trừ cho năng lượng và đông lượng của electron bay ra trong phân rã để thoả mãn các định luật bảo toàn.