Эмиссия позитрона , бета-распад или β + -распад — это подтип радиоактивного распада , называемый бета-распадом , при котором протон внутри ядра радионуклида превращается в нейтрон с высвобождением позитрона и электронного нейтрино ( ν e ). [1] Эмиссия позитронов осуществляется посредством слабого взаимодействия . Позитрон — это разновидность бета-частицы (β + ), другая бета-частица — это электрон (β — ), испускаемый в результате β — распада ядра.
Пример эмиссии позитронов (β + распад) показан при распаде магния-23 на натрий-23 :
Поскольку эмиссия позитронов уменьшает число протонов по сравнению с числом нейтронов, распад позитрона обычно происходит в крупных «богатых протонами» радионуклидах. Распад позитрона приводит к ядерной трансмутации , превращающей атом одного химического элемента в атом элемента с атомным номером , меньшим на одну единицу.
Эмиссия позитронов возникает на Земле в естественных условиях очень редко, когда она вызвана космическими лучами или одним из ста тысяч распадов калия-40 , редкого изотопа, составляющего 0,012% этого элемента на Земле.
Эмиссию позитрона не следует путать с эмиссией электронов 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 часть 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
13Ал
→30
15п
+ 1
0н
и заметил, что образующийся изотоп30
15п
испускает позитрон, идентичный тем, которые были обнаружены в космических лучах Карлом Дэвидом Андерсоном в 1932 году . [2] Это был первый пример
β+
распад (эмиссия позитронов). Кюри назвали это явление «искусственной радиоактивностью».30
15п
короткоживущий нуклид, не существующий в природе. Открытие искусственной радиоактивности будет упомянуто, когда команда мужа и жены получит Нобелевскую премию.
Изотопы , которые подвергаются этому распаду и тем самым испускают позитроны, включают, помимо прочего: 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-распад углерода-11 до бора -11 с испусканием позитрона и нейтрино :
Внутри протонов и нейтронов есть фундаментальные частицы , называемые кварками . Двумя наиболее распространенными типами кварков являются верхние кварки с зарядом + 2/3 и нижние кварки с зарядом – 1/3 . Кварки группируются в группы по три, образуя протоны и нейтроны . В протоне, заряд которого равен +1, имеется два верхних и один нижний кварк ( 2 ⁄ 3 + 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 1). Нейтроны, не имеющие заряда, имеют один верхний и два нижних кварка ( 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 0). Благодаря слабому взаимодействию кварки могут менять аромат с нижнего на верхний , что приводит к эмиссии электронов . Эмиссия позитрона происходит, когда верхний кварк превращается в нижний кварк, эффективно превращая протон в нейтрон. [5]
Ядра, которые распадаются в результате испускания позитронов, могут также распадаться в результате 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 увеличения энергии распада увеличивается и доля разветвления эмиссии позитронов. Однако если разница энергий меньше 2 m e c 2 , то эмиссия позитронов не может произойти, и захват электронов является единственным способом распада. Некоторые изотопы, захватывающие электроны (например,7
Быть
) стабильны в галактических космических лучах , потому что электроны отрываются, а энергия распада слишком мала для испускания позитронов.
Позитрон выбрасывается из родительского ядра, а дочерний атом (Z-1) должен потерять орбитальный электрон, чтобы сбалансировать заряд. Общий результат таков, что из атома вылетает масса двух электронов (одного для позитрона и одного для электрона), и β + -распад энергетически возможен тогда и только тогда, когда масса родительского атома превышает массу исходного атома. дочерний атом как минимум на две массы электрона (2 м е ; 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 медицинской визуализации. Выделяемая энергия зависит от распадающегося изотопа; фигура0,96 МэВ применимо только к распаду углерода-11 .
Короткоживущие позитроны, излучающие изотопы 11 C (T 1 ⁄ 2 =20,4 мин ), 13 Н (Т 1 ⁄ 2 =10 мин ), 15 О (Т 1 ⁄ 2 =2 мин ) и 18 F (Т 1 ⁄ 2 =110 мин ), используемые для позитронно-эмиссионной томографии, обычно получают путем облучения протонами природных или обогащенных мишеней. [7] [8]