Позитронное излучение - Positron emission

Ядерная физика
NuclearReaction.svg
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция

Позитронное излучение или бета плюс распад (β+ распад) является подтипом радиоактивный распад называется бета-распад, в котором протон внутри радионуклид ядро превращается в нейтрон при выпуске позитрон и электронное нейтрино (νе).[1] Эмиссия позитронов опосредуется слабая сила. Позитрон - это разновидность бета-частица (β+), другая бета-частица - электрон (β−) испускается из β− распад ядра.

Пример излучения позитронов (β+ распад) показан с магний-23 распадаясь на натрий-23:

23
12Mg
 → 23
11Na
 +
е+
 +
ν
е

Поскольку излучение позитронов уменьшает число протонов по сравнению с числом нейтронов, распад позитрона обычно происходит в больших «богатых протонами» радионуклидах. Распад позитрона приводит к ядерная трансмутация, превращая атом одного химического элемента в атом элемента с атомный номер что меньше на единицу.

Излучение позитронов на Земле происходит очень редко, когда оно вызвано космический луч или от одного из ста тысяч распадов калий-40, редкий изотоп, 0,012% этого элемента на Земле.

Не следует путать эмиссию позитронов с электронная эмиссия или бета минус распад (β− распад), который происходит, когда нейтрон превращается в протон, а ядро ​​испускает электрон и антинейтрино.

Излучение позитронов отличается от распад протона, гипотетический распад протонов, не обязательно связанных с нейтронами, не обязательно через испускание позитрона, и не как часть ядерной физики, а скорее физика элементарных частиц.

Открытие позитронной эмиссии

В 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри засыпал алюминий альфа-частицы (выпущено полоний ) для осуществления ядерной реакции 4
2Он
 + 27
13Al
 → 30
15п
 + 1
0п
, и заметил, что изотоп продукта 30
15п
 испускает позитрон, идентичный тем, которые обнаруживаются в космических лучах Карл Дэвид Андерсон в 1932 г.[2] Это был первый пример
β+
 распад (эмиссия позитронов). Кюри назвали это явление «искусственной радиоактивностью», потому что 30
15п
 короткоживущий нуклид, не существующий в природе. Об открытии искусственной радиоактивности будут упоминать, когда группа мужа и жены получит Нобелевскую премию.

Изотопы, излучающие позитроны

Изотопы которые претерпевают этот распад и тем самым испускают позитроны, включают углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18, медь-64, галлий-68, бром-78, рубидий-82, иттрий-86, цирконий-89, иттрий-90,[3] натрий-22, алюминий-26, калий-40, стронций-83,[нужна цитата ] и йод-124.[3] В качестве примера следующее уравнение описывает бета плюс распад углерода-11 до бор -11, излучающий позитрон и нейтрино:

11
6C
 		→ 11
5B
 		+ 
е+
  		+ 
ν
е  		+ 0.96 МэВ

Механизм выброса

Внутри протонов и нейтронов есть элементарные частицы называется кварки. Двумя наиболее распространенными типами кварков являются до кварков, которые имеют заряд +2/3, и вниз кварки, с -1/3 обвинять. Кварки собираются в наборы по три, так что протоны и нейтроны. В протоне с зарядом +1 есть два вверх кварки и один вниз кварк (2/3 + 2/3 − 1/3 = 1). Нейтроны без заряда имеют один вверх кварк и два вниз кварки (2/3 − 1/3 − 1/3 = 0). Через слабое взаимодействие, кварки могут меняться аромат от вниз к вверх, в результате чего электрон эмиссия. Эмиссия позитронов происходит, когда вверх кварк превращается в вниз кварк.[4] (2/3 − 1 = −1/3).

Ядра, распадающиеся с испусканием позитронов, также могут распадаться захват электронов. Для низкоэнергетических распадов захват электронов энергетически благоприятствует 2меc2 = 1.022 МэВ, поскольку в конечном состоянии удален электрон, а не добавлен позитрон. По мере того, как энергия распада увеличивается, увеличивается и ветвящаяся фракция позитронного излучения. Однако, если разница в энергии меньше 2меc2, то эмиссия позитронов не может происходить, и захват электронов является единственной модой распада. Некоторые изотопы, которые в противном случае захватывают электроны (например, 7
Быть
) стабильны в галактические космические лучи, потому что электроны оторваны, а энергия распада слишком мала для излучения позитронов.

Энергосбережение

Позитрон выбрасывается из родительского ядра, а дочерний атом (Z − 1) должен отдать орбитальный электрон, чтобы сбалансировать заряд. Общий результат состоит в том, что масса двух электронов выбрасывается из атома (один для позитрона и один для электрона), а β+ распад энергетически возможен если и только если масса родительского атома превышает массу дочернего как минимум на две массы электронов (1,02 МэВ).[нужна цитата ]

Изотопы, масса которых увеличивается при превращении протона в нейтрон или масса которых уменьшается менее чем на 2ме, не может спонтанно распадаться из-за испускания позитронов.[нужна цитата ]

заявка

Эти изотопы используются в позитронно-эмиссионная томография, метод, используемый для медицинской визуализации. Излучаемая энергия зависит от распадающегося изотопа; цифра 0,96 МэВ относится только к распаду углерода-11.

Короткоживущие изотопы, излучающие позитроны 11C, 13N, 15O и 18F, используемые для позитронно-эмиссионной томографии, обычно получают протонным облучением природных или обогащенных мишеней.[5][6]

использованная литература

  1. ^ «Ядерная химия». Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл. Получено 2012-06-14.
  2. ^ Жолио М.Ф., Кюри I (1934). "Un nouveau type de radioactivité" [Новый вид радиоактивности]. J. Phys. (На французском). 5 (153): 254.
  3. ^ а б Conti M, Eriksson L (декабрь 2016 г.). «Физика чистых и нечистых позитронных эмиттеров для ПЭТ: обзор и обсуждение». EJNMMI Физика. 3 (1): 8. Дои:10.1186 / s40658-016-0144-5. ЧВК  4894854. PMID  27271304.
  4. ^ Как это работает: излучение позитронов
  5. ^ «Позитронно-эмиссионная томография в Университете Британской Колумбии». Позитронно-эмиссионная томография. Университет Британской Колумбии. Архивировано из оригинал 22 января 2018 г.. Получено 11 мая 2012.
  6. ^ Ледингем К.В., Маккенна П., Макканни Т., Шимицу С., Ян Дж. М., Робсон Л., Цвейт Дж., Гиллис Дж. М., Бейли Дж., Шимон Г. Н., Кларк Р. Дж. (2004). «Мощное лазерное производство короткоживущих изотопов для позитронно-эмиссионной томографии». Журнал физики D: Прикладная физика. 37 (16): 2341. Bibcode:2004JPhD ... 37.2341L. Дои:10.1088/0022-3727/37/16/019.

внешняя ссылка