Strona głównaPytania → Jak przebiega rozpad beta?

Jak przebiega rozpad beta?

Pytanie

Pyta bartek

Mam pytanie odnośnie rozpadu beta. Wiem że dochodzi do rozpadu beta poprzez oddziaływanie słabe, które może zamienić kwarki danego protonu lub neutronu, przez co dochodzi do jego zmiany na neutron albo proton. W jaki sposób dochodzi do tej zmiany i jakie cząsteczki oddziałują słabym oddziaływaniem na dany neutron lub proton? Czy po prostu niestabilne jądro atomu wytwarza samoistnie neutrina, które oddziałuja z danymi protonami, albo też dzieje się to na skutek przechwytywania elektronow przez takie jadro?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Neutron składa się dwóch kwarków $d$ i jednego kwarku $u$. Proton składa się z dwóch kwarków $u$ i jednego kwarku $d$. Rozważmy rozpad beta neutronu, w wyniku którego powstają proton, elektron i antyneutrino elektronowe

$n \to p + e^- + \bar\nu_e$.

Na poziomie kwarkowym wywoływany on jest przez następującą reakcję:

$d \to u + e^- + \bar\nu_e$.

Można to rozumieć w ten sposób, że niestabilny kwark $d$ ulega rozpadowi i wytwarza samoistnie kwark $u$, elektron, oraz antyneutrino elektronowe. Cząstki będące produktami tego rozpadu nie są składnikami kwarku $d$, one ulegają wytworzeniu w tej reakcji.

W samej reakcji pośredniczy ciężka cząstka wirtualna – naładowany bozon $W$, około 80 razy cięższy od neutronu. Naiwnie można to sobie wyobrażać w ten sposób, że najpierw kwark $d$ rozpada się na kwark $u$ oraz wirtualny bozon $W$, a następnie wirtualny bozon $W$ rozpada się na elektron i antyneutrino elektronowe.

Neutron jest cięższy od protonu i dlatego właśnie to swobodny neutron ulega rozpadowi, a swobodny proton jest stabilny. Natomiast wewnątrz jąder atomowych należy dodatkowo uwzględnić energie wiązań jądrowych, i dlatego obserwujemy również takie rozpady beta, w których proton zamienia się na neutron, pozyton oraz neutrino elektronowe.

Mówiąc o rozpadach beta przyjmujemy, że elektrony i pozytony są w nich wytwarzane, i na ogół emitowane z próbki. Natomiast w procesie „wychwytu elektronu” (odwrotnego rozpadu beta) mamy do czynienia z reakcją

$p + e^- \to n + \nu_e$

zachodzącą wewnątrz jądra, również za pośrednictwem wirtualnych bozonów $W$. Wtedy właśnie możemy mówić o przechwytywaniu elektronów atomu przez jądro. Przykładowa taka reakcja to:

${}^{26}_{13}Al + e^- \to {}^{26}_{12}Mg + \nu_e$.