Позитронний розпад — Вікіпедія

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[ред. | ред. код]

У 1934 році Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі бомбардували алюміній альфа-частинками (випромінюваними полонієм), щоб здійснити ядерну реакцію $_{2}^{4}He+_{13}^{27}Al\rightarrow _{15}^{30}P+_{0}^{1}n$ , 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[ред. | ред. код]

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, бром-78, рубідій-82^[en], ітрій-86, 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:

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

Механізм розпаду[ред. | ред. код]

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_ec² = 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_ec², то випромінювання позитронів не може відбутися, а захоплення електронів є єдиним способом розпаду. Деякі електрон-захоплюючі ізотопи (наприклад, $^{7}Be$ ) є стабільними в галактичних космічних променях, оскільки електрони відриваються, а енергія розпаду надто мала для випромінювання позитронів.

Збереження енергії[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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

Примітки[ред. | ред. код]

↑ Nuclear Chemistry. The University of North Carolina at Chapel Hill. Процитовано 14 червня 2012.
↑ Joliot MF, Curie I (1934). Un nouveau type de radioactivité [A new type of radioactivity]. J. Phys. (French) . 5 (153): 254.
↑ ^а ^б 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.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
↑ 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.
↑ How it works: Positron emission
↑ ^а ^б L'Annunziata, Michael F. (2016). Radioactivity: Introduction and History, From the Quantum to Quarks. Elsevier. с. 180. ISBN 9780444634962.
↑ 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.
↑ 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[ред. | ред. код]

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

[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.

[Conti_2016-3] а ^б 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.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)

[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

[L'Annunziata_180-6] а ^б 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]