Захват электронов

Процесс, в котором богатый протонами нуклид поглощает внутренний атомный электрон

Схема двух типов захвата электронов. Вверху : ядро ​​поглощает электрон. Внизу слева : внешний электрон заменяет «отсутствующий» электрон. Испускается рентгеновское излучение, энергия которого равна разнице между двумя электронными оболочками. Внизу справа : при эффекте Оже энергия, поглощенная при замещении внутреннего электрона внешним электроном, передается внешнему электрону. Внешний электрон выбрасывается из атома, оставляя положительный ион.

Электронный захват ( K-электронный захват , также K-захват , или L-электронный захват , L-захват ) — процесс, в котором богатое протонами ядро ​​электрически нейтрального атома поглощает внутренний атомный электрон , обычно из электронных оболочек K или L. Этот процесс тем самым изменяет ядерный протон на нейтрон и одновременно вызывает испускание электронного нейтрино .

п   +   е−     →    н   +  νе

или когда записано как уравнение ядерной реакции , ν ${\displaystyle {\ce {^{0}_{-1}e + ^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{0}}}}$ ${\displaystyle _{e}}$

Поскольку это единичное испущенное нейтрино несет всю энергию распада , оно имеет эту единичную характерную энергию. Аналогично, импульс испускания нейтрино заставляет дочерний атом отскакивать с единичным характерным импульсом.

Полученный дочерний нуклид , если он находится в возбужденном состоянии , переходит в свое основное состояние . Обычно во время этого перехода испускается гамма-луч , но ядерное девозбуждение может также происходить путем внутренней конверсии .

После захвата внутреннего электрона из атома, внешний электрон заменяет захваченный электрон, и в этом процессе испускается один или несколько характеристических рентгеновских фотонов. Захват электрона иногда также приводит к эффекту Оже , когда электрон выбрасывается из электронной оболочки атома из-за взаимодействия между электронами атома в процессе поиска электронного состояния с более низкой энергией.

После захвата электрона атомный номер уменьшается на единицу, число нейтронов увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется . Простой захват электрона сам по себе приводит к нейтральному атому, поскольку потеря электрона в электронной оболочке уравновешивается потерей положительного заряда ядра. Однако положительный атомный ион может возникнуть в результате дальнейшей эмиссии электронов Оже.

Захват электрона является примером слабого взаимодействия , одного из четырех фундаментальных взаимодействий.

Электронный захват является основным режимом распада для изотопов с относительным избытком протонов в ядре , но с недостаточной разницей энергий между изотопом и его предполагаемой дочерней частицей ( изобара с одним меньшим положительным зарядом ) для распада нуклида с испусканием позитрона . Электронный захват всегда является альтернативным режимом распада для радиоактивных изотопов, которые обладают достаточной энергией для распада с испусканием позитрона . Электронный захват иногда включается в качестве типа бета-распада , ^[1] потому что основной ядерный процесс, опосредованный слабым взаимодействием, одинаков. В ядерной физике бета-распад является типом радиоактивного распада , при котором бета-луч (быстрый энергичный электрон или позитрон) и нейтрино испускаются из атомного ядра. Электронный захват иногда называют обратным бета-распадом , хотя этот термин обычно относится к взаимодействию электронного антинейтрино с протоном. ^[2]

Если разница энергий между родительским атомом и дочерним атомом меньше 1,022  МэВ , позитронная эмиссия запрещена, поскольку недостаточно энергии распада , чтобы ее разрешить, и, таким образом, захват электронов является единственным режимом распада. Например, рубидий-83 (37 протонов, 46 нейтронов) распадется на криптон-83 (36 протонов, 47 нейтронов) исключительно за счет захвата электронов (разница энергий, или энергия распада, составляет около 0,9 МэВ).

История

Теория захвата электронов была впервые рассмотрена Джан-Карло Виком в статье 1934 года, а затем развита Хидеки Юкавой и другими. Захват K-электронов впервые наблюдал Луис Альварес в ванадии ,48В, о чем он сообщил в 1937 году. ^{[3] [4] [5]} Альварес продолжил изучать захват электронов в галлии (67Га) и другие нуклиды. ^{[3] [6] [7]}

Подробности реакции

Диаграммы Фейнмана ведущего порядка для распада электронного захвата. Электрон взаимодействует с верхним кварком в ядре через W-бозон , создавая нижний кварк и электронное нейтрино . Две диаграммы составляют ведущий (второй) порядок, хотя как виртуальная частица тип (и заряд) W-бозона неразличимы.

Захваченный электрон является одним из собственных электронов атома, а не новым, входящим электроном, как можно предположить по тому, как реакции записаны ниже. Вот несколько примеров захвата электрона:

Радиоактивные изотопы, распадающиеся путем чистого захвата электронов, могут быть ингибированы от радиоактивного распада, если они полностью ионизированы (иногда для описания таких ионов используется термин «раздетые»). Предполагается, что такие элементы, если они образованы в результате r-процесса при взрыве сверхновых , выбрасываются полностью ионизированными и поэтому не подвергаются радиоактивному распаду до тех пор, пока не столкнутся с электронами в открытом космосе. Аномалии в распределении элементов, как полагают ^{[ кем? ],} частично являются результатом этого эффекта на захват электронов. Обратные распады также могут быть вызваны полной ионизацией; например,¹⁶³
Хо
распадается на¹⁶³
Дай
путем захвата электронов; однако полностью ионизированный¹⁶³
Дай
распадается в связанное состояние¹⁶³
Хо
процессом связанного состояния β ⁻ распада . ^[8]

Химические связи также могут влиять на скорость захвата электронов в небольшой степени (в общем, менее 1%) в зависимости от близости электронов к ядру. Например, в ^7Be наблюдалась разница в 0,9% между периодами полураспада в металлических и изолирующих средах. ^[9] Этот относительно большой эффект обусловлен тем, что бериллий является небольшим атомом, который использует валентные электроны, которые находятся близко к ядру, а также на орбиталях без орбитального углового момента. Электроны на s- орбиталях (независимо от оболочки или первичного квантового числа) имеют пучность вероятности в ядре и, таким образом, гораздо больше подвержены захвату электронов, чем p- или d- электроны, которые имеют узел вероятности в ядре.

Вокруг элементов в середине периодической таблицы изотопы, которые легче стабильных изотопов того же элемента, как правило, распадаются посредством электронного захвата, в то время как изотопы, тяжелее стабильных, распадаются посредством электронной эмиссии . Электронный захват чаще всего происходит в более тяжелых нейтронно-дефицитных элементах, где изменение массы наименьшее и эмиссия позитронов не всегда возможна. Когда потеря массы в ядерной реакции больше нуля, но меньше 2 m _e c ^2, процесс не может происходить посредством позитронной эмиссии, но происходит спонтанно при электронном захвате.

Распространенные примеры

Некоторые распространенные радионуклиды, распадающиеся исключительно путем захвата электронов, включают:

Полный список смотрите в таблице нуклидов .

Смотрите также

• предел Чандрасекара

Ссылки

1. Cottingham, WN; Greenwood, DA (1986). Введение в ядерную физику. Cambridge University Press . стр. 40. ISBN 978-0-521-31960-7.
2. "Эксперименты Рейнса-Коуэна: обнаружение полтергейста" (PDF) . Национальная лаборатория Лос-Аламоса . 25 : 3. 1997.
3. Alvarez, Luis W.; Trower, W. Peter (1987). "Глава 3: Захват K-электронов ядрами". Discovering Alvarez: Selected works of Luis W. Alvarez, with comments of his students and colleagues . Segré, Emilio (commentary). University of Chicago Press. pp. 11–12. ISBN 978-0-226-81304-2– через archive.org.
4. "Луис Альварес, биография". Нобелевская премия . Нобелевская премия по физике 1968 года . Получено 7 октября 2009 года .
5. Альварес, Луис В. (1937). «Ядерный захват электронов K». Physical Review . 52 (2): 134–135. Bibcode : 1937PhRv...52..134A. doi : 10.1103/PhysRev.52.134.
6. Альварес, Луис В. (1937). «Захват электронов и внутренняя конверсия в галлии 67». Physical Review . 53 (7): 606. Bibcode : 1938PhRv...53..606A. doi : 10.1103/PhysRev.53.606.
7. Альварес, Луис В. (1938). «Захват орбитальных электронов ядрами». Physical Review . 54 (7): 486–497. Bibcode : 1938PhRv...54..486A. doi : 10.1103/PhysRev.54.486.
8. Bosch, Fritz (1995). «Манипуляция временем жизни ядер в накопительных кольцах» (PDF) . Physica Scripta . T59 : 221–229. Bibcode :1995PhST...59..221B. doi :10.1088/0031-8949/1995/t59/030. S2CID  250860726. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-26.
9. Ван, Б.; и др. (2006). «Изменение периода полураспада электронов ^{7 Be в металлических средах».} The European Physical Journal A. 28 ( 3): 375–377. Bibcode : 2006EPJA...28..375W. doi : 10.1140/epja/i2006-10068-x. S2CID  121883028.

Внешние ссылки

• «LIVEChart of Nuclides». Секция ядерных данных МАГАТЭ. Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии . Получено 16 августа 2020 г.с фильтром на захвате электронов