Phân rã beta (Beta decay)

Phân rã Beta Trừ (β⁻)

Trong phân rã β⁻, một neutron trong hạt nhân biến đổi thành một proton, một electron và một phản neutrino điện tử. Electron được phát ra khỏi hạt nhân với năng lượng động học đáng kể. Phản neutrino điện tử, một hạt gần như không khối lượng và không mang điện, cũng được phát ra và mang đi một phần năng lượng của phân rã. Quá trình này xảy ra khi hạt nhân có dư neutron so với trạng thái bền vững.

• Phương trình tổng quát:

$n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$

• Ví dụ:

$^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + e^- + \bar{\nu}_e$

Trong ví dụ này, Carbon-14 phân rã thành Nitrogen-14. Sự biến đổi này làm tăng số nguyên tử thêm 1 (từ 6 thành 7) trong khi số khối lượng giữ nguyên là 14.

Phân rã Beta Cộng (β⁺)

Trong phân rã β⁺, một proton trong hạt nhân biến đổi thành một neutron, một positron và một neutrino điện tử. Positron, phản hạt của electron, được phát ra khỏi hạt nhân. Neutrino điện tử cũng được phát ra và mang đi một phần năng lượng. Quá trình này xảy ra khi hạt nhân có dư proton so với trạng thái bền vững.

• Phương trình tổng quát:

$p^+ \rightarrow n^0 + e^+ + \nu_e$

• Ví dụ:

$^{11}_6C \rightarrow ^{11}_5B + e^+ + \nu_e$

Trong ví dụ này, Carbon-11 phân rã thành Boron-11. Sự biến đổi này làm giảm số nguyên tử đi 1 (từ 6 thành 5) trong khi số khối lượng giữ nguyên là 11.

Bắt Electron (Electron Capture)

Bắt electron là một loại phân rã beta trong đó một electron từ lớp vỏ electron bên trong (thường là lớp K hoặc L) được hạt nhân hấp thụ. Một proton trong hạt nhân tương tác với electron này và biến đổi thành một neutron và một neutrino điện tử. Neutrino được phát ra khỏi hạt nhân. Giống như phân rã β⁺, quá trình này cũng xảy ra khi hạt nhân có dư proton.

• Phương trình tổng quát:

$p^+ + e^- \rightarrow n^0 + \nu_e$

• Ví dụ:

$^{40}{19}K + e^- \rightarrow ^{40}{18}Ar + \nu_e$

Trong ví dụ này, Kali-40 bắt một electron và biến đổi thành Argon-40. Sự biến đổi này làm giảm số nguyên tử đi 1 (từ 19 thành 18) trong khi số khối lượng giữ nguyên là 40.

Ứng dụng của Phân rã Beta

Phân rã beta có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Xác định niên đại bằng carbon phóng xạ (Carbon dating): Sử dụng phân rã β⁻ của Carbon-14 để xác định tuổi của các vật liệu hữu cơ.
• Y học hạt nhân: Một số đồng vị phóng xạ trải qua phân rã beta được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị y tế, ví dụ như I-131 dùng trong điều trị ung thư tuyến giáp.
• Nghiên cứu vật liệu: Phân rã beta được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu.
• Sản xuất năng lượng: Phân rã beta đóng vai trò trong việc tạo ra năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là thông qua phân rã của các sản phẩm phân hạch.

Lưu ý về Ký hiệu

$n^0$, $p^+$, $e^-$, $e^+$, $\nu_e$, và $\bar{\nu}_e$ lần lượt biểu diễn neutron, proton, electron, positron, neutrino điện tử, và phản neutrino điện tử. Số ở trên bên trái ký hiệu nguyên tố là số khối (tổng số proton và neutron), và số ở dưới bên trái là số nguyên tử (số proton).

Năng lượng Phân rã

Năng lượng được giải phóng trong phân rã beta được gọi là năng lượng phân rã (Q). Năng lượng này được chia sẻ giữa các hạt được phát ra, chủ yếu là hạt beta và (phản) neutrino. Phổ năng lượng của hạt beta là liên tục, nghĩa là hạt beta có thể được phát ra với bất kỳ năng lượng nào từ 0 đến giá trị Q. Điều này khác với phân rã alpha, nơi các hạt alpha được phát ra với năng lượng rời rạc. Sự tồn tại của neutrino đã được постулировать để giải thích cho phổ năng lượng liên tục này.

Điều kiện Phân rã

Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân mẹ không ổn định và có thể chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra một hạt beta.

• Phân rã β⁻: Xảy ra khi tỷ lệ neutron/proton trong hạt nhân quá cao.
• Phân rã β⁺ và bắt electron: Xảy ra khi tỷ lệ neutron/proton trong hạt nhân quá thấp.

Sự khác biệt giữa Bắt Electron và Phân rã β⁺

Cả bắt electron và phân rã β⁺ đều làm giảm số proton trong hạt nhân. Tuy nhiên, bắt electron yêu cầu năng lượng ít hơn phân rã β⁺ vì khối lượng của electron bị bắt đã được tính đến. Do đó, bắt electron có thể xảy ra trong một số trường hợp mà phân rã β⁺ không thể. Khi năng lượng phân rã lớn hơn 1.022 MeV (hai lần khối lượng nghỉ của electron), phân rã β⁺ có thể xảy ra. Khi năng lượng phân rã nhỏ hơn 1.022 MeV, chỉ có bắt electron có thể xảy ra.

Ảnh hưởng của Phân rã Beta lên Bảng Tuần hoàn

Phân rã beta làm thay đổi số nguyên tử của hạt nhân.

• Phân rã β⁻ làm tăng số nguyên tử lên 1, di chuyển nguyên tố sang phải một ô trong bảng tuần hoàn.
• Phân rã β⁺ và bắt electron làm giảm số nguyên tử xuống 1, di chuyển nguyên tố sang trái một ô trong bảng tuần hoàn.

Tốc độ Phân rã

Tốc độ phân rã beta, giống như các loại phân rã phóng xạ khác, được đặc trưng bởi chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã là thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân trong một mẫu phân rã. Chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ khác nhau có thể dao động từ một phần nhỏ của giây đến hàng tỷ năm.

• Krane, K. S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons.
• Lilley, J. S. (2001). Nuclear Physics: Principles and Applications. John Wiley & Sons.
• Beiser, A. (2003). Concepts of Modern Physics. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phổ năng lượng của hạt beta phát ra trong phân rã beta lại liên tục chứ không phải rời rạc như trong phân rã alpha?

Trả lời: Trong phân rã alpha, chỉ có hai hạt được tạo ra: hạt alpha và hạt nhân con. Do đó, năng lượng phân rã được chia sẻ giữa hai hạt này theo một tỷ lệ cố định, dẫn đến phổ năng lượng rời rạc cho hạt alpha. Tuy nhiên, trong phân rã beta, ba hạt được tạo ra: hạt beta, (phản) neutrino và hạt nhân con. Năng lượng phân rã được chia sẻ giữa ba hạt này, và hạt beta có thể nhận bất kỳ năng lượng nào từ 0 đến giá trị tối đa (Q). Điều này dẫn đến phổ năng lượng liên tục cho hạt beta.

Sự khác biệt chính giữa bắt electron và phân rã β⁺ là gì, và khi nào mỗi quá trình xảy ra?

Trả lời: Cả bắt electron và phân rã β⁺ đều chuyển đổi một proton thành một neutron trong hạt nhân, làm giảm số nguyên tử xuống 1. Tuy nhiên, bắt electron liên quan đến việc hạt nhân bắt giữ một electron từ lớp vỏ electron, trong khi phân rã β⁺ phát ra một positron. Bắt electron có thể xảy ra khi năng lượng phân rã (Q) nhỏ hơn 1.022 MeV (hai lần khối lượng nghỉ của electron). Phân rã β⁺ chỉ có thể xảy ra khi Q lớn hơn 1.022 MeV, vì năng lượng này là cần thiết để tạo ra positron.

Làm thế nào phân rã beta ảnh hưởng đến vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn?

Trả lời: Phân rã beta làm thay đổi số nguyên tử (số proton) của hạt nhân, do đó ảnh hưởng đến vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Phân rã β⁻ làm tăng số nguyên tử lên 1, dịch chuyển nguyên tố sang phải một ô. Phân rã β⁺ và bắt electron làm giảm số nguyên tử xuống 1, dịch chuyển nguyên tố sang trái một ô.

Chu kỳ bán rã của $^{14}C$ là khoảng 5730 năm. Nếu một mẫu vật liệu hữu cơ ban đầu chứa 1 gram $^{14}C$, thì sau 11460 năm (hai chu kỳ bán rã) sẽ còn lại bao nhiêu $^{14}C$?

Trả lời: Sau một chu kỳ bán rã (5730 năm), một nửa lượng $^{14}C$ ban đầu sẽ còn lại, tức là 0.5 gram. Sau hai chu kỳ bán rã (11460 năm), một nửa của 0.5 gram sẽ còn lại, tức là 0.25 gram.

Phân rã beta đóng vai trò gì trong việc tạo ra năng lượng trong Mặt Trời?

Trả lời: Phân rã beta, cụ thể là phân rã β⁺, đóng vai trò quan trọng trong chu trình proton-proton, chuỗi phản ứng tổng hợp hạt nhân chính trong Mặt Trời. Trong một bước quan trọng của chu trình này, hai proton hợp nhất để tạo thành deuteri, một đồng vị của hydro. Quá trình này liên quan đến việc một proton biến đổi thành một neutron thông qua phân rã β⁺, phát ra một positron và một neutrino. Phản ứng này giải phóng năng lượng và cuối cùng dẫn đến việc tạo ra heli từ hydro, cung cấp năng lượng cho Mặt Trời.