2) гравитационное
3) сильное
4) слабое (+)
Бета-распад обусловлен слабым взаимодействием, точнее его заряженным током, переносимым виртуальными бозонами W− или W+. На кварковом уровне при β−-распаде нижний-кварк превращается в верхний: d → u + W−, после чего W− распадается на электрон и электронное антинейтрино. В результате нейтрон превращается в протон, поэтому массовое число A сохраняется, а зарядовое число Z увеличивается на единицу.
При β+-распаде происходит обратное превращение верхнего-кварка в нижний с испусканием позитрона и электронного нейтрино; протон превращается в нейтрон, а Z уменьшается на единицу. Близким слабым процессом является электронный захват: ядро поглощает орбитальный электрон и испускает нейтрино. Электромагнитное и сильное взаимодействия могут влиять на энергетические уровни и структуру ядра, но не обеспечивают необходимого изменения кваркового типа и нуклонного состава.
Энергия бета-частиц распределяется непрерывно, поскольку энергия распада делится между электроном или позитроном, нейтрино и дочерним ядром. Вероятность и период полураспада определяются ядерными матричными элементами, фазовым объёмом и правилами отбора; выделяют разрешённые переходы Ферми и Гамова—Теллера, а также запрещённые переходы. Эти закономерности имеют практическое значение при расчёте дозы, выборе радионуклида для терапии и интерпретации данных ПЭТ.
| Процесс или тип перехода | Схема | Изменение ядра | Ключевая характеристика |
|---|---|---|---|
| β−-распад | n → p + e− + ν̄e | A не изменяется, Z увеличивается на 1 | Характерен для нейтронно-избыточных ядер; реализуется через W− |
| β+-распад | p → n + e+ + νe | A не изменяется, Z уменьшается на 1 | Для распада необходим энергетический избыток не менее 1,022 МэВ; позитрон аннигилирует с электроном |
| Электронный захват | p + e− → n + νe | A не изменяется, Z уменьшается на 1 | После захвата образуются характеристическое рентгеновское излучение и/или электроны Оже из-за вакансии во внутренней оболочке |
| Разрешённый переход Ферми | β-переход без изменения спина нуклонов | ΔJ = 0, чётность не изменяется | Определяется векторной частью слабого тока; переход 0 → 0 возможен |
| Разрешённый переход Гамова—Теллера | β-переход с изменением спиновой ориентации | ΔJ = 0, ±1, без перехода 0 → 0; чётность не изменяется | Определяется аксиальной частью слабого тока и спин-изоспиновыми свойствами ядра |
| Запрещённые β-переходы | Переходы с орбитальным моментом лептонной пары | Возможна смена чётности, ΔJ зависит от порядка запрещённости | Имеют меньшую вероятность и обычно более длительный период полураспада; форма спектра отличается от разрешённых переходов |
| Медицинское применение | β+-нуклиды в ПЭТ; β−-нуклиды в радионуклидной терапии | Распад определяет активность и распределение поглощённой энергии | Учитываются энергия, пробег частиц, период полураспада, ветвление распада и сопутствующее гамма-излучение |
Слабое взаимодействие отличается от электромагнитного и сильного также нарушением пространственной чётности, что отражает левую хиральность нейтрино и правую хиральность антинейтрино. Наличие нейтрино в конечном состоянии необходимо для сохранения энергии, импульса, углового момента и лептонного числа. В медицинской физике характеристики слабого распада непосредственно используются при определении активности источника, внутренней дозиметрии и оптимизации радиофармацевтической терапии.