Позитронний розпад

Позитроний розпад, бета-плюс-розпад або β^+ -розпад — це підтип радіоактивного розпаду, званого бета-розпадом, у якому протон всередині радіонуклідного ядра перетворюється на нейтрон, вивільняючи позитрон і електронне нейтрино (ν_e).[1] Випромінювання позитронів опосередковується слабкою силою . Позитрон — це різновид бета-частинки (β ^+), інша бета-частинка — електрон (β ^−), випущений у результаті β ^− розпаду ядра.

Приклад випромінювання позитронів (β ^+ розпад) показано з розпадом магнію-23^[en] на натрій-23^[en]:

23Mg → 23Na + e^+ + ν_e

Оскільки випромінювання позитронів зменшує число протонів відносно числа нейтронів, позитронний розпад зазвичай відбувається у великих «багатих протонами» радіонуклідах. Позитронний розпад призводить до трансмутації ядра, перетворюючи атом одного хімічного елемента на атом елемента з атомним номером, меншим на одиницю.

Позитронний розпад відбувається дуже рідко на Землі природним шляхом, коли він викликається космічними променями або в результаті одного зі ста тисяч розпаду калію-40, рідкісного ізотопу, частка якого на Землі складає 0,012 %.

Позитронний розпад не слід плутати з бета-розпадом (β^- розпадом), який відбувається, коли нейтрон перетворюється на протон, а ядро випускає електрон і антинейтрино.

Випромінювання позитронів відрізняється від розпаду протона, гіпотетичного процесу розпаду протонів, не обов'язково зв'язаних з нейтронами, не обов'язково через випромінювання позитронів і не як частина ядерної фізики, а скоріше фізики елементарних частинок.

Відкриття позитронного розпаду

У 1934 році Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі бомбардували алюміній альфа-частинками (випромінюваними полонієм), щоб здійснити ядерну реакцію ${\displaystyle _{2}^{4}He+_{13}^{27}Al\rightarrow _{15}^{30}P+_{0}^{1}n}$, і спостерігали, що продукт ізотоп 30P випромінює позитрон, ідентичний позитрону, знайденому в космічних променях Карлом Девідом Андерсоном у 1932 році.[2] Це був перший приклад β^+
- розпаду (позитронного розпаду). Подружжя Кюрі назвало це явище «штучною радіоактивністю», оскільки 30P це короткоживучий нуклід, якого не існує в природі. Відкриття штучної радіоактивності згадувалося, коли команда чоловіка та дружини отримала Нобелівську премію.

Ізотопи, що випромінюють позитрони

Ізотопи, які зазнають цього розпаду і таким чином випромінюють позитрони, включають вуглець-11, азот-13, кисень-15, фтор-18^[en], мідь-64^[en], галій-68(інші мови), бром-78(інші мови), рубідій-82^[en], ітрій-86(інші мови), цирконій-89,[3] натрій-22^[en], алюміній-26, калій-40, стронцій-83^[en] і йод-124^[en].[3][4] Як приклад, наступне рівняння описує позитронний розпад вуглецю-11 до бору-11 з випромінюванням позитрона і нейтрино:

${\displaystyle _{6}^{11}C\rightarrow _{5}^{11}B+e^{+}+\nu _{e}+0,96}$ МеВ

Механізм розпаду

Усередині протонів і нейтронів знаходяться фундаментальні частинки, які називаються кварками. Два найпоширеніші типи кварків — це U-кварки, які мають заряд +2/3, а D-кварки із зарядом −1/3.  Кварки об'єднуються в набори по три таким чином, що утворюють протони та нейтрони. У протоні, заряд якого дорівнює +1, є два U-кварка і один D-кварк (2/3 +2/3 −1/3 = 1). Нейтрони без заряду мають один U-кварк і два D-кварки (2/3 −1/3 −1/3 = 0). Через слабку взаємодію кварки можуть змінювати аромат від нижчого до вищого, що призводить до випромінювання електронів. Випромінювання позитронів відбувається, коли U-кварк перетворюється на D-кварк, через що протон перетворюється на нейтрон.[5]

Ядра, які розпадаються шляхом випромінювання позитронів, можуть також розпадатися шляхом захоплення електронів. Для низькоенергетичних розпадів захоплення електрона енергетично більш сприятливе до межі 2m_ec^2 = 1.022, оскільки в кінцевому стані вилучається електрон, а не додається позитрон. Оскільки енергія розпаду зростає, зростає і коефіцієнт розгалуження^[en] позитронного розпаду. Однак, якщо різниця в енергіях менше 2m_ec^2, то випромінювання позитронів не може відбутися, а захоплення електронів є єдиним способом розпаду. Деякі електрон-захоплюючі ізотопи (наприклад, ^7Be) є стабільними в галактичних космічних променях, оскільки електрони відриваються, а енергія розпаду надто мала для випромінювання позитронів.

Збереження енергії

Позитрон викидається з батьківського ядра, а дочірній (Z-1) атом повинен відкинути орбітальний електрон, щоб збалансувати заряд. Загальний результат полягає в тому, що маса двох електронів викидається з атома (один для позитрона і один для електрона), і β ^+ розпад є енергетично можливим тоді і тільки тоді, коли маса батьківського атома перевищує масу дочірнього атома принаймні на дві маси електрона (2m_e = 1,022 МеВ).[6]

Ізотопи, маса яких збільшується при перетворенні протона в нейтрон або зменшується менше ніж на 2m_e, не можуть спонтанно розпадатися через випромінювання позитронів.[6]

Застосування

Ці ізотопи використовуються в позитронно-емісійній томографії, методі, який використовується для медичної візуалізації. Виділена енергія залежить від ізотопу, який розпадається; показник 0.96 МеВ стосується лише розпаду вуглецю-11.

Короткоживучі ізотопи, що випромінюють позитрони ^11C (${\displaystyle T_{1/2}}$ = 20.4 хв), ^13N (${\displaystyle T_{1/2}}$ = 10 хв), ^15О (${\displaystyle T_{1/2}}$ = 2 хв) і ^18F (${\displaystyle T_{1/2}}$ = 110 хв), які використовуються для позитронно-емісійної томографії, як правило, отримують опроміненням протонами природних або збагачених мішеней.[7][8]

Примітки

1. Nuclear Chemistry. The University of North Carolina at Chapel Hill. Процитовано 14 червня 2012.
2. Joliot MF, Curie I (1934). Un nouveau type de radioactivité [A new type of radioactivity]. J. Phys. (French) . 5 (153): 254.
3. Conti M, Eriksson L (December 2016). Physics of pure and non-pure positron emitters for PET: a review and a discussion. EJNMMI Physics. 3 (1): 8. doi:10.1186/s40658-016-0144-5. PMC 4894854. PMID 27271304.
4. Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Audi, G. The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties (PDF) (англійською) . doi:10.1088/1674-1137/abddae.
5. How it works: Positron emission
6. L'Annunziata, Michael F. (2016). Radioactivity: Introduction and History, From the Quantum to Quarks. Elsevier. с. 180. ISBN 9780444634962.
7. Positron Emission Tomography Imaging at the University of British Columbia. Positron Emission Tomography Imaging. University of British Columbia. Архів оригіналу за 22 січня 2018. Процитовано 11 травня 2012.
8. Ledingham KW, McKenna P, McCanny T, Shimizu S, Yang JM, Robson L, Zweit J, Gillies JM, Bailey J, Chimon GN, Clarke RJ (2004). High power laser production of short-lived isotopes for positron emission tomography. Journal of Physics D: Applied Physics. 37 (16): 2341—2345. Bibcode:2004JPhD...37.2341L. doi:10.1088/0022-3727/37/16/019.

Посилання

• Жива діаграма нуклідів: структура ядер і дані про розпад (основні способи розпаду) — МАГАТЕ