Promieniowanie beta

Promieniowanie beta jest strumieniem elektronów, czyli cząstek elementarnych o ładunku ujemnym i masie wynoszącej 1/1840 atomowej jednostki masy. Powstaje w wyniku rozpadu beta minus, podczas którego neutron zmienia się w proton, gdyż jeden z jego kwarków dolnych zamienia się w górny). Następuje przy tym emisja elektronu i neutrina.

https://www.branadovesmiru.eu/odborne-clanky/elementarni-castice-standardni-model.html

Liczba atomowa pierwiastka zwiększa się wówczas o 1, zaś liczba masowa pozostaje bez zmian, zgodnie z prawem przesunięć Fajansa-Soddy'ego.

Istnieje również rzadszy rozpad beta plus, gdzie emitowany jest pozyton i antyneutrino, ale tutaj nie będziemy się nim zajmować. Emisji elektronu często towarzyszy kwant gamma. W szeregach promieniotwórczych, z jakimi mamy do czynienia w przyrodzie rozpad beta występuje praktycznie tak samo często jak rozpad alfa. W niektórych przypadkach izotopy alfa-aktywne ulegają też rozpadowi beta minus (Ac-227, Po-215, Bi-210, Bi-214), choć prawdopodobieństwo takiego rozpadu jest rzędu ułamków procenta. Wyjątek stanowi bizmut-212, który w 36% ulega rozpadowi alfa, a w 64 % beta.

***

 Promieniowanie beta jest znacznie bardziej przenikliwe niż alfa, jednak łatwo je wyekranować za pomocą metalowej blaszki lub szklanej płytki. W trakcie zderzeń strumienia elektronów z powłokami elektronowymi atomów o dużej masie powstaje tzw. promieniowanie hamowania (Bremmstrahlung), czyli kwanty promieniowania rentgenowskiego. Na tej zasadzie działają lampy rentgenowskie, w których strumień elektronów jest wyhamowywany na anodzie z wolframu:

https://wu.po.opole.pl/poczatki-lampy-rentgenowskiej/

Dlatego też osłony przed promieniowaniem beta wykonuje się albo z pleksiglasu, albo z aluminium (jądra lekkie), aby uniknąć powstawania promieniowania hamowania.

Widmo energetyczne ma charakter ciągły, od zera do wartości maksymalnej, przy czym gros cząstek ma energię rzędu 1/3 energii maksymalnej.

Źródło - Elementy fizyki promieniowania jonizującego

Cząstki beta ulegają odchyleniu w polu magnetycznym w przeciwnym kierunku niż cząstki alfa i pozytony, obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym. Z kolei kwanty gamma w ogóle nie ulegają odchyleniu:

Źródło 

Najbardziej znanym izotopem beta-aktywnym jest stront-90, emitujący promieniowanie o energii 0,5 MeV. Jego produkt rozpadu - itr-90, emituje promieniowanie beta o energii 2,27 MeV, stąd widmo strontu-90 ma charakter złożony i zwykle przyjmuje się wartość średnią.

Drugim jest węgiel-14, powstający w atmosferze na skutek działania promieniowania kosmicznego, stosowany m.in. w datowaniu metodą radiowęglową oraz w badaniach metodą atomów znaczonych. Trzecim jest tryt (H-3 oznaczany też T), najcięższy izotop wodoru, powstający w reaktorach jądrowych i podczas eksplozji nuklearnych. Jego energia promieniowania jest bardzo niska - 18 keV - a zasięg w powietrzu zaledwie 8 cm.

Emisja beta często współwystępuje z emisją kwantu gamma, jak w przypadku jodu-131 (energia kwantów głównie 365 keV przy emisji beta 606 keV) oraz kobaltu-60 (energia kwantów 1,17 i 1,33 MeV przy emisji beta 0,31 MeV). Promieniowanie beta wykazuje podobne właściwości do promieni katodowych, badanych przez Crookesa, Rutherforda, Hertza, Roentgena i Thomsona, różni się jednak miejscem ich powstawania. Promienie katodowe są strumieniem elektronów wybijanych z atomów elektrody lampy katodowej przez bombardowanie jej jonami gazów, przyspieszonymi w polu elektrycznym elektrody, bądź też na skutek jej silnego rozgrzania (termoemisja). Z kolei promieniowanie beta powstaje w wyniku przemian jądrowych w jądrach niektórych izotopów. Podobna różnica występuje między promieniowaniem rentgenowskim i gamma.

***

Promieniowanie beta było do niedawna stosowane powszechnie w różnego rodzaju przyrządach pomiarowych, np. grubościomierzach odbiciowych czy lotniczych czujnikach oblodzenia. Poniżej czujnik we wlocie powietrza do silników śmigłowca Mi-2:

Obecnie czujniki izotopowe zwykle są zastępowane przez przyrządy działające na innych zasadach - laserowe, ultradźwiękowe itp., choć nadal w niektórych zastosowaniach są bezkonkurencyjne.

Innym zastosowaniem emiterów beta są generatory prądu - zarówno betawoltaiczne, jak i termoelektryczne. Pierwsze wykorzystują powstawanie prądu w złączu półprzewodnikowym wystawionym na działanie cząstek beta, drugie temperaturę powstałą podczas rozpadu izotopu, która generuje prąd na zasadzie zjawiska termoelektrycznego. Użycie izotopów beta-aktywnych eliminuje konieczność stosowania ciężkich osłon. Tym niemniej, źródło promieniowania beta o dużej aktywności może wywołać ciężką chorobę popromienną, o czym przekonali się trzej drwale z Gruzji - LINK.

Źródła beta-aktywne - głównie stront-90 - używane są też jako źródła kontrolne w przyrządach dozymetrycznych. Większe aktywności stosowano w krajowych przyrządach wojskowych DP-66 i radzieckich DP-5/DP-63/DP-64, mniejsze w laboratoryjnych RK-10, RKL-60 i RKLG-62 oraz górniczych RG-1. Oprócz łatwości w skutecznym ekranowaniu emisji beta zaletą była wysoka czułość liczników GM na to promieniowanie, co pozwalało szybko uzyskać duży wzrost wskazań i przetestować miernik. Gwoli ścisłości, w innych miernikach (DP-11B, RK-63) stosowano kobalt-60 albo cez-137 (RK-67), ale to inna historia.

Innym zastosowaniem emiterów beta jest napromieniowywanie żywności celem jej konserwacji, stosowane alternatywnie wobec naświetlań promieniami gamma. Z kolei promieniowanie katodowe znalazło zastosowanie w lampach elektronowych, kineskopach oraz spawaniu wiązką elektronów.
Do pomiaru promieniowania beta stosuje się głównie liczniki Geigera-Mullera (G-M), które dla tego promieniowania mają wydajność bliską 100 % (z kolei dla emisji gamma zaledwie 2%!). Przy energiach powyżej 500 keV wystarczy stalowy licznik cylindryczny o ściankach grubości ok. 40-50 mg/cm2 (STS-5/SBM-20/BOI-33). Przy niższych stosuje się okienka mikowe (3-4 mg/cm2), choć nie muszą być tak cienkie jak dla cząstek alfa (1 mg/cm2). Przykładami liczników okienkowych na promieniowanie beta są krajowe BOH-45, stosowane m.in. w sondach SGB-2P. Poniżej stopień osłabienia dla różnych grubości okienka/ścianki:

Szklane liczniki ze ścianką 70 mg/cm2  - np. BOB-33 - rejestrują promieniowanie beta od 700 keV. Można stosować również scyntylatory plastikowe, jeśli zależy nam na pomiarze selektywnym tylko tej emisji. W przeciwnym wypadku trzeba wykonać dwa pomiary - najpierw łącznej emisji beta+gamma, a następnie, po osłonięciu detektora specjalnym filtrem, samej emisji gamma. Odfiltrowania promieniowania beta można dokonać albo zakładając filtr, albo zbliżając sondę do źródła drugą stroną, której obudowa służy za  filtr.

W czasie pomiarów, szczególnie za pomocą radiometrów beta-gamma wykorzystujących licznik G-M, należy uważać, by nie pomylić promieniowania beta z miękkim promieniowaniem gamma, które tak samo jest odfiltrowywane przez klapkę-filtr miernika. Aby mieć pewność, że próbka emituje cząstki beta, lepiej użyć detektora scyntylacyjnego. Oznacza to zwykle konieczność użycia sondy współpracującej z radiometrem uniwersalnym, np. krajowej SSU-3 z ZZUJ Polon, ewentualnie SSU-70, jeśli mamy aparaturę systemu "Standard 70".

Promieniowanie beta jest mniej przenikliwe niż gamma, jednak powoduje m.in. dotkliwe oparzenia skóry, gdyż szybko wytraca swoją energię na jej powierzchni. Takim poparzeniom ulegli m.in. pracownicy elektrowni w Czarnobylu oraz strażacy i pozostali Likwidatorzy na samym początku katastrofy. Poparzenia takie skutkują głęboką martwicą tkanek, stwarzającą problemy przy przeszczepach. W skrajnych przypadkach, przy mniej odpornym lub wyniszczonym organizmie może to spowodować zgon [vide link do notki o drwalach z Gruzji]. Zdjęć nie będzie, chętni mogą sobie wygooglować.
Współczynnik wagowy promieniowania, zwany też współczynnikiem jakości (QF) dla emisji beta wynosi 1, zatem biologiczny równoważnik dawki jest równy dawce pochłoniętej  - 1 Gy odpowiada 1 Sv. Różnice między tymi dwiema wielkościami wyjaśniłem TUTAJ. 

Do osłony przed promieniowaniem beta stosuje się lekkie materiały, głównie aluminium, by uniknąć promieniowania hamowania zachodzącego przy zderzeniach elektronów z jądrami ciężkich pierwiastków. Jeżeli wymagana jest przezroczystość, za osłony służy szkło i pleksiglas. W laboratoriach używa się specjalnych przezroczystych osłon, chroniących twarz i korpus pracownika przed strumieniem cząstek beta. Poniżej zdjęcie z katalogu z początku lat 60.:

Nie lekceważmy emisji beta, szczególnie silniejszej, gdyż cząstki te mogą pokonać w powietrzu nawet i metr! Poniżej zasięg w metrach dla wybranych ośrodków:

Przy zachowaniu zasad bezpieczeństwa promieniowanie beta ma ogromny walor dydaktyczny przy demonstrowaniu zasięgu, pochłaniania, a także odchylania w polu magnetycznym. Nie trzeba stosować ciężkich osłon jak w przypadku promieniowania gamma, a zasięg jest większy niż w przypadku cząstek alfa. Łatwość ekranowania z kolei pozwala pokazać, że promieniowanie nie jest niebezpieczne, jeśli odpowiednio do niego podejdziemy.