Esimerkkitilanne: Beetahajoamisen energia

Tarkastellaan hajoamisen laskennallista käsittelyä isotoopille Mg-23. Kyseessä on [[$\beta^+$]]-aktiivinen isotooppi, jonka hajoamisen reaktioyhtälö on alla.

[[$\qquad ^{23}_{12}\text{Mg} \rightarrow {^{23}_{11}\text{Na}}+{^{\ \ \ 0}_{+1}\text{e}}+\nu $]]

Massan muutoksen laskemiseksi etsitään atomien massat isotooppitaulukosta. Ydinten massat saadaan vähentämällä niistä atomin elektronien kokonaismassa.

[[$ \qquad \begin{align}m_{\text{Mg-ydin}}&=m_{\text{Mg-atomi}}-12 m_\text{e} \\ \, \\ m_{\text{Na-ydin}}&=m_{\text{Na-atomi}}-11m_\text{e} \\ \end{align} $]]​

Massan muutos saadaan vähentämällä emoytimen eli magnesiumin massasta reaktiossa syntyvien natriumytimen ja positronin massat. Positronin massa on sama kuin elektronin.

[[$ \qquad \begin{align} \Delta m &=m_{\text{Mg-ydin}}-m_{\text{Na-ydin}}-m_{\text{positroni}} \\ \, \\ &=m_{\text{Mg-atomi}}-12 m_\text{e}-(m_{\text{Na-atomi}}-11m_\text{e})-m_\text{e} \quad \\ \, \\ &=m_{\text{Mg-atomi}}-m_{\text{Na-atomi}}-2m_\text{e} \\ \, \\ &= 22{,}994124 \text{ u}-22{,}989767 \text{ u}-2\cdot 5{,}485799\cdot 10^{-4} \text{ u} \\ \, \\ &=0{,}0032598402 \text{ u}\approx 0{,}003260 \text{ u} \\ \end{align} $]]​

Massan muutos on 0,003260 u. Huomataan, että vähennyslaskun vastaus saadaan neljän merkitsevän numeron tarkkuudella. Reaktioenergia saadaan laskemalla massan muutosta vastaava energia.

[[$ \qquad Q=\Delta m c^2=0{,}0032598402 \cdot 931{,}49 \text{ MeV/c}^2\cdot c^2 \approx 3{,}037 \text{ MeV} $]]

Vapautuva energia muuntuu syntyvien natriumytimen, positronin ja neutriinon liike-energiaksi. Mikäli tytärydin jää viritystilaan, osa energiasta sitoutuu siihen ja vapautuu gammasäteilynä viritystilan purkautuessa.

Jos oletetaan, että tytärydin on reaktion jälkeen jäänyt perustilaan, voidaan energian jakautumista tarkastella liikemäärän ja energian säilymisen perusteella. Tilanne on kuitenkin monimutkaisempi kuin alfahajoamisessa, jonka seurauksena tytärydin ja alfahiukkanen loittonevat toisistaan yhtä suurilla, vastakkaissuuntaisilla liikemäärillä. Beetahajoamisessa syntyy kolme hiukkasta, joiden kokonaisliikemäärän tulee olla yhtä suuri kuin emoytimen, eli nolla. Liikemäärä ja reaktiossa vapautuva energia jakautuvat kolmelle hiukkaselle, joten positronin nopeus riippuu suunnasta, johon se lähtee hajoamisen jälkeen. Näin ollen positronin liike-energia vaihtelee välillä 0...Q sen sijaan, että saisi yhden tietyn arvon. Beetasäteilyn spektri on alfasäteilystä poiketen jatkuva. Alla on kuva Cu-64-isotoopin [[$\beta^+$]]-hajoamisessa syntyvien positronien spektristä. Kyseisessä hajoamisessa massaa vapautuu energiaksi 0,653 MeV, joten tätä suurempaa energiaa positroni ei voi saada.