Бе́та-распа́д ($β$-распад) ядер, радиоактивный распад основных или возбуждённых состояний ядер, при котором происходит рождение электрона $e–$ и электронного антинейтрино $\widetilde{ν_e}$ (электронный бета-распад, $β^–$-распад) или позитрона $e^{+}$ и электронного нейтрино (позитронный бета-распад, $β^+$-распад). При этом заряд распадающегося ядра изменяется на одну элементарную единицу заряда (увеличивается при электронном распаде и уменьшается при позитронном распаде):

$A(Z,N)→A(Z±1, N∓1)+e^{–(+)} + \widetilde{ν_e} (ν_e)$.

Здесь $A$ – массовое число, $Z$ – заряд ядра, $N$ – число нейтронов. Электрон или позитрон, испускаемый при бета-распаде, называется бета-частицей.

Процесс бета-распада является наиболее распространённым видом радиоактивности и имеет место во всех областях масс ядер – от лёгких (${^3H}$) до тяжёлых (например, ${^{261}No}$).

Бета-распад ядер, называвшийся первоначально процессом «испускания бета-лучей», открыт в цепочке радиоактивных превращений урана А. Беккерелем (1895, сделал сообщение в 1896). В 1899 г. установлено, что «бета-лучи» состоят из быстрых электронов и в магнитном поле отделяются от других видов радиоактивных излучений. В 1930 г. В. Паули предположил, что в бета-распаде одновременно с электроном рождается очень лёгкая нейтральная частица – нейтрино.

Теория бета-распада

Теоретическое описание бета-распада ядер было развито Э. Ферми (1933), который ввёл важнейшую характеристику – фермиевскую константу взаимодействия $G_F$, через которую определяется абсолютная величина времени жизни ядер по отношению к бета-распаду. Одновременно Э. Ферми вычислил форму бета-спектра электронов распада в простейшем случае разрешённых бета-переходов (т. н. фермиевская форма бета-спектра).

В 1956 г. было обнаружено, что при бета-распаде происходит нарушение закона сохранения квантового числа чётности (Цзундао Ли, Чжэньнин Янг), и вскоре было установлено, что в бета-распад дают вклад два варианта слабого взаимодействия: векторный, по своей структуре аналогичный электромагнитному взаимодействию, и аксиально-векторный, отличающийся от векторного изменением чётности.

Полное описание процессов бета-распада даётся Стандартной моделью электрослабого взаимодействия, в рамках которой механизм бета-распада во многом напоминает механизм электромагнитного взаимодействия нуклонов с электронами, при котором ядерный нуклон испускает виртуальный гамма-квант нулевой массы, поглощаемый затем электроном. Аналогично этому в процессе ядерного бета-распада один из кварков, входящих в состав нуклона ядра (нейтрона или протона), виртуально испускает тяжёлый заряженный $W$-бозон (с массой около 82 ГэВ), который распадается затем на пару электрон – антинейтрино (электронный распад) или позитрон – нейтрино (позитронный распад):

$d→u+W^–→e^– + \widetilde{ \nu_e } \qquad$($β^-$-распад),

$u→d+W^+→e^+ + ν_e  \qquad$($β^+$-распад).

Константа слабого взаимодействия, определяющая характеристики бета-распада, – константа Ферми – имеет величину

$G_F$= (1,4173± 0,0011) · 10^–62 Дж·м³

и в рамках Стандартной модели оказывается связанной с константой электромагнитного взаимодействия и массой $W$-бозона.

Характеристики бета-распадов

Основными экспериментальными характеристиками бета-распада являются: период полураспада $T_{1/2}$ (или время жизни $τ=T_{1/2}/\ln2)$ и энергетический спектр электронов (позитронов) распада. Период полураспада стандартно задаётся величиной $fT_{1/2}$, где $f$ – т. н. фермиевская функция, учитывающая влияние кулоновского поля ядра в процессе вылета электрона (позитрона) и зависящая от заряда ядра, энергии электрона (позитрона) и квантовых характеристик ядра. Её значения табулируются.

В отличие от альфа- и гамма-излучений энергетический спектр электронов (позитронов) бета-распада является непрерывным: он начинается от нуля и продолжается до верхней границы, которая по закону сохранения энергии равна разности полных энергий начального и конечного ядер (минус энергии покоя электрона и нейтрино).

Классификация бета-переходов

В соответствии с правилами отбора бета-переходов, задающими изменение квантовых чисел полного момента $J$ ядра и его чётности $π$ при переходе из начального состояния ядра в конечное, процессы бета-распада разделяются на фермиевские (учитывающие вклад от фермиевской части взаимодействия), гамов-теллеровские (от аксиально-векторной части взаимодействия) и смешанного типа. Кроме того, они дополнительно классифицируются по степени запрещённости, при этом различают бета-переходы:

сверхразрешённые $[0^+→0^+  J_{нач}^{π_{нач}} →J_{кон}^{π_{кон}}$, $ΔJ=0$, чётность не меняется, $\lg fT_{1/2}{⩽}3,6]$;

разрешённые ($ΔJ=0, 1$, чётность не меняется, $\lg fT_{1/2}{⩾}4–6$);

запрещённые 1-го запрета ($ΔJ=0, 1, 2$, чётность меняется, $\lg fT_{1/2}≈6–9$);

запрещённые 2-го запрета ($ΔJ=1, 2, 3$, чётность не меняется,

$\lg fT_{1/2}≈ 9–13$) и т. д.

Важным примером бета-переходов являются сверхразрешённые бета-переходы $0^+→0^+$, зависящие только от фермиевского типа взаимодействия, изучение которых позволяет с большой точностью измерять фермиевскую константу $G_F$.

Бета-спектроскопия

Спектры сверхразрешённых и разрешённых бета-переходов имеют универсальную фермиевскую форму; форма спектра для остальных переходов зависит от степени запрещённости. В разрешённых бета-переходах передачи орбитального момента от нуклонов к лептонам не происходит, в случае запрещённых переходов передаётся орбитальный момент $L= 1, 2,...$, который и указывается степенью запрещённости.

Исследование формы бета-спектра электронов распада вблизи его верхней границы даёт важную информацию о массе нейтрино, испускаемого в процессе распада. В экспериментах с бета-распадом тяжёлого изотопа водорода – трития – получено рекордное ограничение на массу электронного нейтрино: $ν_e {⩽}2$ эВ.

Экспериментальные исследования бета-распада проводятся с помощью бета-спектрометров различного типа. Прецизионные измерения бета-спектров выполняются магнитными спектрометрами. Более широкое применение находят спектрометры из полупроводниковых детекторов, поскольку они позволяют работать со значительно более слабыми и короткоживущими источниками.

В современных исследованиях особое место занимает изучение бета-распада нейтрона как простейшего элементарного процесса бета-распада, на основе которого описываются процессы бета-распада в сложных ядрах.

Двойной бета-распад

Особую роль играет изучение процессов двойного бета-распада двухнейтринного и безнейтринного типов:

$A(Z,N)→A(Z± 2,N∓ 2)+ 2e^{–(+)}+ 2\widetilde{ν_e}(ν_ e)$ (двухнейтринный $2β$-распад);

$A(Z,N)→A(Z±2,N∓2)+2e^{–(+)}$ (безнейтринный $2β$-распад).

Процессы первого типа разрешены в рамках Стандартной модели, обнаружены экспериментально и характеризуются экстремально большими временами жизни (период полураспада $T_{1/2}$ ≈ 10¹⁸ – 10²² лет). Процессы второго типа описываются теоретическими моделями, выходящими за рамки Стандартной модели, и зависят от средней массы нейтрино. В настоящее время активно проводится поиск таких процессов в ряде конкретных ядер с целью экспериментального определения массы нейтрино. Обнаружение таких эффектов означало бы, что масса нейтрино отлична от нуля и существуют явления, лежащие вне рамок Стандартной модели и требующие для своего объяснения развития новой теории.

Обратные бета-процессы

Помимо бета-распада наблюдается ряд обратных ему процессов: электронный захват (захват электронов с $K$-, $L$- и других электронных оболочек атомов, в физике звёзд – Урка-процесс захвата электронов ядрами при больших плотностях вещества), реакции обратного бета-распада в нейтринных (антинейтринных) пучках реакторного, ускорительного или солнечного происхождения, а также в нейтринных потоках, образующихся при взрывах сверхновых звёзд. Исследование реакций обратного бета-распада на нейтринных потоках от реактора впервые показало, что нейтрино отличается от антинейтрино (Р. Дейвис, 1956–1959), а на ускорителях – что существуют во всяком случае два типа нейтрино – электронное и мюонное. В конце 1970-х гг. с использованием нейтрино от ускорителей было доказано также существование тауонного нейтрино. Эксперименты по измерению нейтринных потоков от Солнца и реакторов с помощью процессов обратного бета-распада привели в 2001–2004 гг. к открытию нейтринных осцилляций, которые не находят объяснения в Стандартной модели электрослабого взаимодействия и требуют дальнейшего развития теории.