جسيم بيتا

جسيم بيتا ، ويُسمى أيضًا شعاع بيتا أو إشعاع بيتا (رمزه β )، هو إلكترون أو بوزيترون عالي الطاقة وعالي السرعة ينبعث من التحلل الإشعاعي لنواة الذرة ، والمعروف باسم تحلل بيتا . يوجد نوعان من تحلل بيتا، هما تحلل بيتا ^{السالب (β−) وتحلل بيتا الموجب (β +)} ، واللذان ينتجان إلكترونات وبوزيترونات على التوالي. ^{[ 2 ]}

يبلغ مدى جسيمات بيتا ذات طاقة 0.5 ميغا إلكترون فولت حوالي متر واحد في الهواء، ولا يمكنها المرور عبر الملابس أو الصفائح المعدنية الرقيقة؛ وتعتمد المسافة على طاقة الجسيم وكثافة الهواء وتكوينه.

جسيمات بيتا نوع من الإشعاع المؤين ، ولأغراض الحماية من الإشعاع ، تُعتبر أكثر تأينًا من أشعة غاما ، ولكنها أقل تأينًا من جسيمات ألفا . كلما زاد تأثير التأين، زاد الضرر الذي يلحق بالأنسجة الحية، ولكن في الوقت نفسه، انخفضت قدرة الإشعاع على اختراق المادة. ينتج تأثير التأين لجسيمات بيتا عن اقتلاعها للإلكترونات من مداراتها إما بفعل القوة الكهروستاتيكية أو بانتقال الطاقة من جسيم بيتا إلى الإلكترون عن طريق التصادم. تُنتج هذه الجسيمات ما يقارب 100 زوج أيوني لكل سنتيمتر مكعب في الهواء، أي أيون واحد بالإضافة إلى إلكترون مُحرر.

من بين الأنواع الثلاثة الشائعة للإشعاع المنبعث من المواد المشعة، وهي ألفا وبيتا وجاما ، تتميز جسيمات بيتا بقدرة اختراق وتأين متوسطة. ورغم اختلاف طاقة جسيمات بيتا المنبعثة من المواد المشعة المختلفة، إلا أن معظمها يمكن إيقافه ببضعة ملليمترات من الألومنيوم . مع ذلك، لا يعني هذا إمكانية حجب النظائر المشعة التي تبعث جسيمات بيتا بشكل كامل بمثل هذه الدروع الرقيقة؛ فمع تباطؤها في المادة، تُصدر إلكترونات بيتا أشعة جاما ثانوية، وهي أكثر اختراقًا من جسيمات بيتا نفسها. وتُنتج الدروع المصنوعة من مواد ذات وزن ذري أقل أشعة جاما ذات طاقة أقل، مما يجعلها أكثر فعالية لكل وحدة كتلة من تلك المصنوعة من ذرات أكبر كالرصاص.

بما أن إشعاع بيتا يتكون من جسيمات مشحونة، فهو أكثر تأينًا من إشعاع غاما. عند مروره عبر المادة، يتباطأ جسيم بيتا بفعل التفاعلات الكهرومغناطيسية، وقد ينبعث منه أشعة سينية تُعرف باسم أشعة الكبح .

في الماء، تتجاوز سرعة إشعاع بيتا الناتج عن العديد من نواتج الانشطار النووي سرعة الضوء في هذه المادة (والتي تبلغ حوالي 75% من سرعة الضوء في الفراغ)، ^{[ 4 ]} وبالتالي يُولّد إشعاع تشيرينكوف الأزرق عند مروره عبر الماء. وبذلك، يمكن رؤية إشعاع بيتا المكثف المنبعث من قضبان الوقود في مفاعلات أحواض السباحة من خلال الماء الشفاف الذي يغطي المفاعل ويحميه (انظر الرسم التوضيحي على اليمين).

الكشف والقياس

تُعدّ تأثيرات تأيين أو إثارة جسيمات بيتا على المادة العمليات الأساسية التي تستخدمها أجهزة الكشف الإشعاعي للكشف عن إشعاع بيتا وقياسه. يُستخدم تأيين الغاز في غرف التأين وعدادات جايجر-مولر ، بينما تُستخدم إثارة المواد الوميضية في عدادات الوميض . يوضح الجدول التالي كميات الإشعاع بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) ووحدات أخرى.

الكميات المتعلقة بالإشعاع المؤين

• منظر
• يتحدث
• يحرر

كمية	وحدة	رمز	الاشتقاق	سنة	المكافئ الدولي
النشاط ( أ )	بيكريل	بي كيو	s −1	1974	وحدة النظام الدولي للوحدات
	كوري	Ci	3.7 × 10 10  ثانية −1	1953	3.7 × 10 10  بيكريل
	روثرفورد	الطريق	10 6  ثانية −1	1946	1,000,000  بيكريل​​
التعرض ( X )	كولوم لكل كيلوغرام	ج/كجم	C⋅kg −1 من الهواء	1974	وحدة النظام الدولي للوحدات
	رونتجن	R	esu /0.001 293  غرام من الهواء	1928	2.58 × 10 −4  درجة مئوية/كجم
الجرعة الممتصة ( د )	رمادي	جي	جول ⋅كجم −1	1974	وحدة النظام الدولي للوحدات
	إرج لكل غرام	erg/g	erg⋅g −1	1950	1.0 × 10 −4  غراي
	راد	راد	100  إرج/ غرام	1953	0.010  غراي
الجرعة المكافئة ( H )	سيفرت	Sv	J⋅kg −1 × W R	1977	وحدة النظام الدولي للوحدات
	رجل يعادل الأشعة السينية	ريم	100  إرج/ غرام × W R	1971	0.010  سيفرت
الجرعة الفعالة ( E )	سيفرت	Sv	J⋅kg −1 × W R × W T	1977	وحدة النظام الدولي للوحدات
	رجل يعادل الأشعة السينية	ريم	100  erg⋅g −1 × W R × W T	1971	0.010  سيفرت

• الجراي (Gy) هي وحدة النظام الدولي للوحدات لقياس الجرعة الممتصة ، وهي كمية طاقة الإشعاع المترسبة في المادة المُشعَّعة. بالنسبة لإشعاع بيتا، تساوي هذه الجرعة عدديًا الجرعة المكافئة المقاسة بالسيفرت ، والتي تُشير إلى التأثير البيولوجي العشوائي للمستويات المنخفضة من الإشعاع على أنسجة الجسم البشري. معامل تحويل ترجيح الإشعاع من الجرعة الممتصة إلى الجرعة المكافئة هو 1 لإشعاع بيتا، بينما يبلغ معامل تحويل ترجيح الإشعاع لإشعاع ألفا 20، مما يعكس تأثيره المؤين الأكبر على الأنسجة.
• الراد هو وحدة CGS المهملة للجرعة الممتصة، والريم هو وحدة CGS المهملة للجرعة المكافئة، ويستخدم بشكل رئيسي في الولايات المتحدة الأمريكية.

يمكن استخدام جسيمات بيتا لعلاج حالات صحية مثل سرطان العين والعظام ، كما تُستخدم أيضاً كمواد مشعة. يُعد السترونتيوم-90 المادة الأكثر شيوعاً لإنتاج جسيمات بيتا.

تُستخدم جسيمات بيتا أيضًا في مراقبة الجودة لاختبار سُمك منتج ما، كالورق مثلاً ، أثناء مروره عبر نظام من البكرات. يُمتص جزء من إشعاع بيتا أثناء مروره عبر المنتج. فإذا كان المنتج سميكًا جدًا أو رقيقًا جدًا، فسيمتص كمية مختلفة من الإشعاع تبعًا لذلك. يقوم برنامج حاسوبي يراقب جودة الورق المُصنّع بتحريك البكرات لتغيير سُمك المنتج النهائي.

يحتوي جهاز إضاءة يُسمى "بيتالايت" على التريتيوم ومادة فسفورية . عند تحلل التريتيوم ، يُصدر جسيمات بيتا؛ تصطدم هذه الجسيمات بالمادة الفسفورية، مما يؤدي إلى انبعاث فوتونات منها ، تمامًا كما في أنبوب أشعة الكاثود في التلفزيون. لا تتطلب الإضاءة أي مصدر طاقة خارجي، وستستمر طالما وُجد التريتيوم (ولم تتغير المادة الفسفورية نفسها كيميائيًا)؛ سينخفض ​​مقدار الضوء المُنتَج إلى نصف قيمته الأصلية خلال 12.32 سنة، وهي نصف عمر التريتيوم.

يُعد تحلل بيتا بلس (أو البوزيترون ) لنظير مشع متتبع مصدرًا للبوزيترونات المستخدمة في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET scan). 

اكتشف هنري بيكريل ، أثناء تجاربه على التألق ، بالصدفة أن اليورانيوم يعرض لوحة فوتوغرافية ملفوفة بورق أسود لإشعاع غير معروف لا يمكن إيقافه مثل الأشعة السينية .

واصل إرنست رذرفورد هذه التجارب واكتشف نوعين مختلفين من الإشعاع:

• الجسيمات ألفا التي لم تظهر على ألواح بيكريل لأنها امتصت بسهولة بواسطة ورق التغليف الأسود
• جسيمات بيتا التي تتمتع بقدرة اختراق أكبر بمئة مرة من جسيمات ألفا.

نشر نتائجه في عام 1899. ^{[ 6 ]}

في عام 1900، قاس بيكريل نسبة الكتلة إلى الشحنة ( m / e ) لجسيمات بيتا باستخدام طريقة جيه جيه طومسون المستخدمة لدراسة أشعة الكاثود وتحديد الإلكترون. ووجد أن نسبة e / m لجسيم بيتا هي نفسها نسبة e/m للإلكترون عند طومسون، وبالتالي اقترح أن جسيم بيتا هو في الواقع إلكترون.

في عام 1948، ابتكر الزوجان موريس غولدهاير وجيرترود شارف غولدهاير تجربةً لتأكيد أن جسيم بيتا مطابق للإلكترون استنادًا إلى مبدأ استبعاد باولي . أطلقا شعاعًا من جسيمات بيتا على عينة من الرصاص، ظنًا منهما أنه إذا كانت جسيمات بيتا مختلفة عن الإلكترونات، فإنها ستتشارك المدارات وتُصدر أشعة سينية بتردد محدد أثناء انتقالها إلى مدارات أدنى. لكن هذا الانبعاث لم يحدث، مما يعني أن جسيمات بيتا لا يمكنها مشاركة المدارات بسبب مبدأ الاستبعاد بين الجسيمات المتطابقة. ^{[ 7 ]}

تخترق جسيمات بيتا الأنسجة الحية بشكل معتدل، ويمكن أن تسبب طفرة تلقائية في الحمض النووي .

يمكن استخدام مصادر بيتا في العلاج الإشعاعي لقتل الخلايا السرطانية.

• مصادر انبعاث بيتا الشائعة
• التشعيع الإلكتروني
• فيزياء الجسيمات
• أشعة النيوترون
• أشعة دلتا (δ)

• النشاط الإشعاعي وأشعة ألفا وبيتا وجاما والأشعة السينية
• الأشعة والجسيمات - محاضرة جامعة فرجينيا
• تاريخ الإشعاع ( مؤرشف بتاريخ 6 مايو 2017 في أرشيف الإنترنت بجامعة ولاية أيداهو)
• معلومات أساسية عن العلوم النووية، مؤرشفة بتاريخ 5 ديسمبر 2006 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) في مختبر لورانس بيركلي الوطني.