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 (Шаблон:Math). 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 на натрій-23:

Шаблон:Нуклід → Шаблон:Нуклід + e⁺ + Шаблон:Math

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 $\underset{4}{\overset{}{2}}He{+}_{13}^{27}Al\underset{15}{\overset{30}{\to }}P{+}_0^{1}n$, і спостерігали, що продукт ізотоп Шаблон:Нуклід випромінює позитрон, ідентичний позитрону, знайденому в космічних променях Карлом Девідом Андерсоном у 1932 році. Це був перший прикладШаблон:SubatomicParticle- розпаду (позитронного розпаду). Подружжя Кюрі назвало це явище «штучною радіоактивністю», оскільки [[фосфор-30|Шаблон:Нуклід]] 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, Шаблон:Iw, Шаблон:Li, Шаблон:Li, Шаблон:Iw, Шаблон:Li, цирконій-89, натрій-22, алюміній-26, калій-40, Шаблон:Iw і Шаблон:Iw. Як приклад, наступне рівняння описує позитронний розпад вуглецю-11 до бору-11 з випромінюванням позитрона і нейтрино:

$\underset{11}{\overset{}{6}}C\underset{5}{\overset{11}{\to }}B+e^{+}+{\nu }_e+0,96$ 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.

Ядра, які розпадаються шляхом випромінювання позитронів, можуть також розпадатися шляхом захоплення електронів. Для низькоенергетичних розпадів захоплення електрона енергетично більш сприятливе до межі 2m_ec² = Шаблон:Val, оскільки в кінцевому стані вилучається електрон, а не додається позитрон. Оскільки енергія розпаду зростає, зростає і Шаблон:Iw позитронного розпаду. Однак, якщо різниця в енергіях менше 2m_ec², 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).

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

Застосування

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

Короткоживучі ізотопи, що випромінюють позитрони ¹¹C ($T_{1/2}$ = Шаблон:Val хв), ¹³N ($T_{1/2}$ = Шаблон:Val хв), ¹⁵О ($T_{1/2}$ = Шаблон:Val хв) і ¹⁸F ($T_{1/2}$ = Шаблон:Val хв), які використовуються для позитронно-емісійної томографії, як правило, отримують опроміненням протонами природних або збагачених мішеней.

Посилання

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