Позитронний розпад

Ядерна фізика
Радіоактивний розпад Термоядерна реакція Ядерна реакція Ядро атома
Основні терміни Ізобари Ізотопи Краплинна модель ядра Ланцюгова ядерна реакція Масове число Період напіврозпаду Поперечний переріз реакції Складене ядро Ядро атома
Розпад ядер Альфа-розпад Бета-розпад Експоненційний розпад Кластерний розпад
Складний розпад Електронне захоплення Подвійне електронне захоплення Подвійний бета-розпад Внутрішня конверсія Ізомерний перехід
Випромінювання Гамма-промені Нейтронний розпад Позитронний розпад Протонний розпад Фотоядерна реакція
Захоплення Електронне захоплення Захоплення нейтронів (r-процес s-процес) Захоплення протона (p-процес rp-процес) Нейтронізація
Поділ ядра Спонтанний поділ Розщеплення під впливом космічних променів Фотоядерна реакція Реакції сколювання
Нуклеосинтез Вуглецева детонація Вуглецево-азотний цикл Зоряний нуклеосинтез Нуклеосинтез у наднових Первинний нуклеосинтез Потрійна альфа-реакція Протон-протонний ланцюжок Реакції сколювання Спалах гелієвого ядра Ядерне горіння вуглецю Ядерне горіння кисню Ядерне горіння кремнію Ядерне горіння неону
Відомі науковці Беккерель Бете Бор Вілер Гейзенберг М. Кюрі П. Кюрі Резерфорд Содді Фермі

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). 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:

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

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. 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

Ізотопи, які зазнають цього розпаду і таким чином випромінюють позитрони, включають вуглець-11, азот-13, кисень-15, фтор-18, мідь-64, галій-68, бром-78, рубідій-82, ітрій-86, цирконій-89, натрій-22, алюміній-26, калій-40, стронцій-83 і йод-124. 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

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 = 1.022, оскільки в кінцевому стані вилучається електрон, а не додається позитрон. Оскільки енергія розпаду зростає, зростає і коефіцієнт розгалуження 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 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.

Посилання

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