Эмиссия позитрона , бета-распад плюс или β + распад — это подтип радиоактивного распада , называемый бета-распадом , при котором протон внутри ядра радионуклида превращается в нейтрон , высвобождая при этом позитрон и электронное нейтрино ( νe ). [1] Эмиссия позитрона опосредуется слабым взаимодействием . Позитрон — это тип бета-частицы (β + ), другой бета-частицей является электрон (β− ) , испускаемый при β −- распаде ядра.
Пример испускания позитрона (β + распад) показан на примере распада магния-23 на натрий-23 :
Поскольку испускание позитронов уменьшает число протонов относительно числа нейтронов, распад позитронов обычно происходит в больших «богатых протонами» радионуклидах. Распад позитронов приводит к ядерной трансмутации , изменяя атом одного химического элемента на атом элемента с атомным номером , который меньше на одну единицу.
Позитронная эмиссия встречается в природе на Земле крайне редко. Известные примеры включают взаимодействие космических лучей и распад некоторых изотопов , таких как калий-40 . Эта редкая форма калия составляет всего 0,012% элемента на Земле и имеет 1 из 100 000 шансов распадаться посредством позитронной эмиссии.
Позитронную эмиссию не следует путать с электронной эмиссией или бета-минус-распадом (β −- распадом), который происходит, когда нейтрон превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино.
Эмиссия позитрона отличается от распада протона , гипотетического распада протонов, не обязательно связанных с нейтронами, не обязательно посредством испускания позитрона и не как части ядерной физики, а скорее физики элементарных частиц .
В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами (испускаемыми полонием ), чтобы вызвать ядерную реакцию.4
2Он
+ 27
13Эл
→30
15П
+ 1
0н
, и заметил, что продукт изотоп30
15П
испускает позитрон, идентичный тем, которые обнаружил в космических лучах Карл Дэвид Андерсон в 1932 году. [2] Это был первый пример
β+
распад (позитронная эмиссия). Кюри назвали это явление «искусственной радиоактивностью», потому что30
15П
это короткоживущий нуклид, который не существует в природе. Открытие искусственной радиоактивности будет отмечено, когда команда мужа и жены получит Нобелевскую премию.
Изотопы , которые подвергаются этому распаду и тем самым испускают позитроны, включают, но не ограничиваются: углерод-11 , азот-13 , кислород-15 , фтор-18 , медь-64 , галлий-68, бром-78, рубидий-82 , иттрий-86, цирконий-89, [3] натрий-22 , алюминий-26 , калий-40 , стронций-83 и йод-124 . [3] [4] В качестве примера, следующее уравнение описывает бета-плюс распад углерода-11 до бора -11, испускающий позитрон и нейтрино :
Внутри протонов и нейтронов находятся фундаментальные частицы , называемые кварками . Два наиболее распространенных типа кварков — это верхние кварки , имеющие заряд + 2 ⁄ 3 , и нижние кварки , имеющие заряд − 1 ⁄ 3 . Кварки выстраиваются в группы по три таким образом, что они образуют протоны и нейтроны . В протоне, заряд которого равен +1, есть два верхних кварка и один нижний кварк ( 2 ⁄ 3 + 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 1). Нейтроны, не имеющие заряда, имеют один верхний кварк и два нижних кварка ( 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 0). С помощью слабого взаимодействия кварки могут менять аромат с нижнего на верхний , что приводит к испусканию электронов . Эмиссия позитрона происходит, когда верхний кварк превращается в нижний кварк, фактически преобразуя протон в нейтрон. [5]
Ядра, распадающиеся путем испускания позитронов, могут также распадаться путем захвата электронов . Для низкоэнергетических распадов захват электронов энергетически выгоден 2 m e c 2 =1,022 МэВ , поскольку в конечном состоянии удаляется электрон, а не добавляется позитрон. По мере того, как энергия распада увеличивается, увеличивается и доля ветвления испускания позитрона. Однако, если разница энергий меньше 2 m e c 2 , испускание позитрона не может произойти, и захват электрона является единственным режимом распада. Некоторые изотопы, иначе захватывающие электроны (например,7
Быть
) стабильны в галактических космических лучах , поскольку электроны отрываются, а энергия распада слишком мала для испускания позитронов.
Позитрон выбрасывается из родительского ядра, но дочерний атом (Z−1) все еще имеет Z атомных электронов от родителя, т.е. дочерний атом является отрицательным ионом (по крайней мере, сразу после испускания позитрона). Поскольку таблицы масс предназначены для атомных масс, и, поскольку масса позитрона идентична массе электрона, общий результат заключается в том, что требуется масса-энергия двух электронов, и распад β + энергетически возможен тогда и только тогда, когда масса родительского атома превышает массу дочернего атома по крайней мере на две массы электрона (2 m e c 2 = 1,022 МэВ). [6]
Изотопы, масса которых увеличивается при превращении протона в нейтрон или масса которых уменьшается менее чем на 2 m e , не могут самопроизвольно распадаться путем испускания позитронов. [6]
Эти изотопы используются в позитронно-эмиссионной томографии , методе, используемом для медицинской визуализации. Излучаемая энергия зависит от распадающегося изотопа; число0,96 МэВ применимо только к распаду углерода-11 .
Короткоживущие изотопы, испускающие позитроны 11 C (T 1 ⁄ 2 =20,4 мин ), 13 Н (T 1 ⁄ 2 =10 мин ), 15 O (T 1 ⁄ 2 =2 мин ) и 18 F (T 1 ⁄ 2 =110 мин ), используемые для позитронно-эмиссионной томографии, обычно производятся путем облучения протонами природных или обогащенных мишеней. [7] [8]
