مقدمة
اضمحلال بيتا (β-decay) هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي الذي تنبعث فيه نواة الذرة جسيم بيتا (إلكترون سريع أو بوزيترون) ونيوترينو (أو مضاد نيوترينو). يحدث اضمحلال بيتا عندما تحتوي النواة على فائض من النيوترونات أو البروتونات. في هذه الحالة، يمكن لأحد النيوترونات أن يتحول إلى بروتون أو يمكن لأحد البروتونات أن يتحول إلى نيوترون، وذلك بهدف تحقيق استقرار النواة. هذه العملية مصحوبة بانبعاث جسيمات بيتا والنيوترينو (أو مضاد النيوترينو).
أنواع اضمحلال بيتا
هناك نوعان رئيسيان من اضمحلال بيتا:
- اضمحلال بيتا السالب (β−): في هذا النوع، يتحول نيوترون في النواة إلى بروتون، ويتم إطلاق إلكترون ومضاد نيوترينو. يمكن تمثيل هذه العملية بالمعادلة التالية:
n → p + e− + ν̄e - اضمحلال بيتا الموجب (β+): في هذا النوع، يتحول بروتون في النواة إلى نيوترون، ويتم إطلاق بوزيترون (جسيم مضاد للإلكترون) ونيوترينو. يمكن تمثيل هذه العملية بالمعادلة التالية:
p → n + e+ + νe
بالإضافة إلى ذلك، هناك عملية مماثلة تسمى أسر الإلكترون، حيث تمتص النواة إلكترونًا مداريًا، مما يؤدي إلى تحويل بروتون إلى نيوترون وانبعاث نيوترينو. يمكن تمثيل هذه العملية بالمعادلة التالية:
p + e− → n + νe
آلية اضمحلال بيتا
اضمحلال بيتا هو نتيجة للقوة النووية الضعيفة، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. هذه القوة مسؤولة عن تحويل النيوترونات إلى بروتونات (والعكس) داخل النواة. الوسيط الذي يحمل هذه القوة هو بوزون W (W+, W-).
في اضمحلال بيتا السالب، يتحلل نيوترون داخل النواة إلى بروتون، إلكترون، ومضاد نيوترينو. يتم ذلك من خلال تفاعل القوة النووية الضعيفة. يمكن تصور هذه العملية على أنها نيوترون يطلق بوزون W−، الذي يتحلل بعد ذلك إلى إلكترون ومضاد نيوترينو. البروتون الناتج يبقى في النواة، مما يزيد العدد الذري للعنصر بمقدار واحد، بينما يغادر الإلكترون ومضاد النيوترينو النواة كجسيمات بيتا.
في اضمحلال بيتا الموجب، يتحلل بروتون داخل النواة إلى نيوترون، بوزيترون، ونيوترينو. يتم ذلك أيضاً من خلال تفاعل القوة النووية الضعيفة. يمكن تصور هذه العملية على أنها بروتون يطلق بوزون W+، الذي يتحلل بعد ذلك إلى بوزيترون ونيوترينو. النيوترون الناتج يبقى في النواة، مما يقلل العدد الذري للعنصر بمقدار واحد، بينما يغادر البوزيترون والنيوترينو النواة كجسيمات بيتا.
في أسر الإلكترون، تلتقط النواة إلكترونًا من الغلاف الذري، مما يؤدي إلى تحويل بروتون إلى نيوترون وانبعاث نيوترينو. هذه العملية تحدث عندما تكون طاقة الاضمحلال غير كافية لإنتاج بوزيترون. الإلكترون الذي تم التقاطه يتفاعل مع البروتون من خلال القوة النووية الضعيفة، مما يؤدي إلى إنتاج نيوترون ونيوترينو.
خصائص جسيمات بيتا
جسيمات بيتا هي إلكترونات أو بوزيترونات عالية الطاقة تنبعث من النواة أثناء اضمحلال بيتا. لديها الخصائص التالية:
- الشحنة: جسيمات بيتا السالبة لها شحنة سالبة (-1)، بينما جسيمات بيتا الموجبة لها شحنة موجبة (+1).
- الكتلة: جسيمات بيتا لها نفس كتلة الإلكترون (أو البوزيترون).
- الطاقة: تمتلك جسيمات بيتا مجموعة واسعة من الطاقات، تصل إلى عدة ملايين من الإلكترون فولت (MeV).
- القدرة على الاختراق: جسيمات بيتا أكثر اختراقًا من جسيمات ألفا، ولكنها أقل اختراقًا من أشعة جاما. يمكن إيقافها بواسطة بضعة ملليمترات من الألومنيوم.
- التأين: يمكن لجسيمات بيتا تأيين المواد التي تمر من خلالها، مما يؤدي إلى إزالة الإلكترونات من الذرات والجزيئات.
تطبيقات اضمحلال بيتا
اضمحلال بيتا له العديد من التطبيقات الهامة في مختلف المجالات، بما في ذلك:
- التأريخ بالكربون المشع: يستخدم اضمحلال بيتا للكربون-14 لتحديد عمر المواد العضوية. الكربون-14 هو نظير مشع للكربون يتكون باستمرار في الغلاف الجوي بسبب تفاعل النيوترونات الكونية مع النيتروجين. تمتصه الكائنات الحية أثناء حياتها. عندما يموت الكائن الحي، يتوقف امتصاص الكربون-14، ويبدأ في الاضمحلال مرة أخرى إلى النيتروجين-14 من خلال اضمحلال بيتا. عن طريق قياس كمية الكربون-14 المتبقية في العينة، يمكن تحديد عمرها.
- التصوير الطبي: تستخدم النظائر المشعة التي تخضع لاضمحلال بيتا في التصوير الطبي لتشخيص وعلاج الأمراض. على سبيل المثال، يستخدم الفلور-18، الذي ينبعث منه بوزيترونات، في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET).
- العلاج الإشعاعي: يمكن استخدام مصادر بيتا المشعة لعلاج بعض أنواع السرطان. حيث تُستخدم هذه المصادر لتدمير الخلايا السرطانية بشكل مباشر.
- المقاييس الصناعية: تستخدم مصادر بيتا المشعة في المقاييس الصناعية لقياس سمك المواد وكثافتها.
- إنتاج الطاقة النووية: اضمحلال بيتا جزء من سلسلة الاضمحلال الإشعاعي لبعض النظائر المستخدمة في المفاعلات النووية.
المخاطر الصحية لاضمحلال بيتا
يمكن أن يكون التعرض لجسيمات بيتا ضارًا بصحة الإنسان. يمكن لجسيمات بيتا أن تخترق الجلد وتتسبب في تلف الأنسجة. اعتمادًا على الطاقة والجرعة، يمكن أن يسبب التعرض لجسيمات بيتا حروقًا إشعاعية، وزيادة خطر الإصابة بالسرطان، وغيرها من المشاكل الصحية. يجب التعامل مع المواد المشعة التي تخضع لاضمحلال بيتا بحذر واتباع إجراءات السلامة المناسبة لتقليل التعرض.
يجب على الأفراد الذين يعملون مع المواد المشعة ارتداء معدات الحماية المناسبة، مثل القفازات والنظارات الواقية والملابس الواقية. يجب أيضًا مراقبة مستويات الإشعاع بانتظام للتأكد من أنها ضمن الحدود الآمنة.
أمثلة على النظائر التي تخضع لاضمحلال بيتا
هناك العديد من النظائر المشعة التي تخضع لاضمحلال بيتا. بعض الأمثلة تشمل:
- الكربون-14 (14C): يتحلل الكربون-14 عن طريق اضمحلال بيتا السالب إلى النيتروجين-14 (14N) مع فترة نصف عمر تبلغ 5730 سنة.
- البوتاسيوم-40 (40K): يتحلل البوتاسيوم-40 عن طريق اضمحلال بيتا السالب إلى الكالسيوم-40 (40Ca) أو عن طريق أسر الإلكترون إلى الأرجون-40 (40Ar) مع فترة نصف عمر تبلغ 1.25 مليار سنة.
- السترونتيوم-90 (90Sr): يتحلل السترونتيوم-90 عن طريق اضمحلال بيتا السالب إلى الإتريوم-90 (90Y) مع فترة نصف عمر تبلغ 29 سنة.
- اليود-131 (131I): يتحلل اليود-131 عن طريق اضمحلال بيتا السالب إلى الزينون-131 (131Xe) مع فترة نصف عمر تبلغ 8 أيام.
- التريتيوم (3H): يتحلل التريتيوم عن طريق اضمحلال بيتا السالب إلى الهيليوم-3 (3He) مع فترة نصف عمر تبلغ 12.3 سنة.
خاتمة
اضمحلال بيتا هو عملية إشعاعية هامة تلعب دورًا حيويًا في الفيزياء النووية والعديد من التطبيقات العملية. فهم آلية اضمحلال بيتا وخصائص جسيمات بيتا أمر بالغ الأهمية في مجالات مثل التأريخ بالكربون المشع، والتصوير الطبي، والعلاج الإشعاعي، وإنتاج الطاقة النووية. ومع ذلك، يجب التعامل مع المواد المشعة التي تخضع لاضمحلال بيتا بحذر بسبب المخاطر الصحية المحتملة المرتبطة بالتعرض للإشعاع.