Захват электрона

Захват электрона ( K-электронный захват , также K-захват , или L-электронный захват , L-захват ) — это процесс, при котором богатое протонами ядро электрически нейтрального атома поглощает внутренний атомный электрон , обычно из K или L электронные оболочки . Таким образом, этот процесс превращает ядерный протон в нейтрон и одновременно вызывает испускание электронного нейтрино .

п + и - \to н + н и

или, если записать его в виде уравнения ядерной реакции ,

{\ce {^{0}_{-1}e + ^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{0}}}

н

_{e}

Поскольку это единственное испущенное нейтрино несет в себе всю энергию распада , оно имеет единственную характеристическую энергию. Точно так же импульс испускания нейтрино заставляет дочерний атом отскакивать с единственным характеристическим импульсом.

Образовавшийся дочерний нуклид , если он находится в возбужденном состоянии , то переходит в основное состояние . Обычно во время этого перехода испускаются гамма-лучи , но ядерное девозбуждение может происходить и за счет внутренней конверсии .

После захвата внутреннего электрона атома внешний электрон заменяет захваченный электрон, и один или несколько характеристических рентгеновских в этом процессе испускается 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 не изменяется уменьшается на единицу, число нейтронов увеличивается на единицу, а массовое число . Простой захват электрона сам по себе приводит к образованию нейтрального атома, поскольку потеря электрона в электронной оболочке уравновешивается потерей положительного заряда ядра. Однако положительный атомный ион может возникнуть в результате дальнейшей эмиссии оже-электронов.

Захват электрона — пример слабого взаимодействия , одной из четырёх фундаментальных сил.

Электронный захват — основной режим распада изотопов , но с относительным избытком протонов в ядре с недостаточной разницей энергий между изотопом и его предполагаемой дочерней структурой ( изобарой с одним положительным зарядом меньше ), чтобы нуклид распался с испусканием позитрона . Захват электронов всегда является альтернативным способом распада радиоактивных изотопов, которые обладают достаточной энергией для распада с испусканием позитронов . Захват электрона иногда относят к типу бета-распада . ^[1] потому что основной ядерный процесс, опосредованный слабым взаимодействием, тот же. В ядерной физике бета-распад — это тип радиоактивного распада , при котором бета-луч (быстрый энергичный электрон или позитрон) и нейтрино испускаются из атомного ядра. Захват электрона иногда называют обратным бета-распадом , хотя этот термин обычно относится к взаимодействию электронного антинейтрино с протоном. ^[2]

Если разница в энергии между родительским атомом и дочерним атомом меньше 1,022 МэВ , эмиссия позитронов запрещена, поскольку недостаточно энергии распада для этого , и, таким образом, захват электрона является единственным способом распада. Например, рубидий-83 (37 протонов, 46 нейтронов) распадется до криптона-83 (36 протонов, 47 нейтронов) исключительно за счет захвата электронов (разница энергий, или энергия распада, составляет около 0,9 МэВ).

История [ править ]

Теория электронного захвата была впервые обсуждена Джан-Карло Виком в статье 1934 года, а затем развита Хидеки Юкавой и другими. Захват К-электрона впервые наблюдался Луисом Альваресом в ванадии . ⁴⁸
V
, о чем он сообщил в 1937 году. ^[3]^[4]^[5] Альварес продолжил изучение захвата электронов в галлии ( ⁶⁷
Здесь
) и другие нуклиды. ^[3]^[6]^[7]

Подробности реакции [ править ]

Диаграммы Фейнмана EC ведущего порядка — главного порядка Диаграммы Фейнмана распада электронного захвата. Электрон образуя взаимодействует с верхним кварком в ядре через W-бозон, нижний кварк и электронное нейтрино . Две диаграммы составляют ведущий (второй) порядок, хотя в виртуальной частице тип (и заряд) W-бозона неразличим.

Захваченный электрон — это один из собственных электронов атома, а не новый, пришедший электрон, как можно предположить из того, как реакции записаны ниже. Вот несколько примеров захвата электронов:

$2613 Ал$	$+ и - \to$	$2612 мг$	$+ н и$
$5928 Ни$	$+ и - \to$	$5927 Ко$	$+ н и$
$4019 К$	$+ и - \to$	$4018 Ар$	$+ н и$

Радиоактивные изотопы, которые распадаются в результате чистого захвата электронов, могут быть предотвращены от радиоактивного распада, если они полностью ионизированы («освобожденные» иногда используются для описания таких ионов). Предполагается, что такие элементы, если они образуются в результате r-процесса при взрыве сверхновых , выбрасываются полностью ионизированными и поэтому не подвергаются радиоактивному распаду до тех пор, пока они не сталкиваются с электронами в космическом пространстве. Считается, что аномалии в распределении элементов ^{[ кем? ]} отчасти быть результатом этого влияния на захват электронов. Обратные распады также могут быть вызваны полной ионизацией; например, ¹⁶³
К
распадается на ¹⁶³
Те
путем захвата электрона; однако полностью ионизированный ¹⁶³
Те
переходит в связанное состояние ¹⁶³
К
процессом связанного состояния β ⁻ разлагаться . ^[8]

Химические связи также могут в небольшой степени (как правило, менее 1%) влиять на скорость захвата электронов в зависимости от близости электронов к ядру. Например, в ⁷Например, разница в 0,9% наблюдалась между периодами полураспада в металлической и изолирующей средах. ^[9] Этот относительно большой эффект обусловлен тем, что бериллий представляет собой небольшой атом, в котором используются валентные электроны, находящиеся 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 более подвержены электронному захвату, чем p- или d -электроны, которые имеют узел вероятности в ядре.

Вокруг элементов в середине таблицы Менделеева изотопы, которые легче стабильных изотопов того же элемента, имеют тенденцию распадаться в результате захвата электронов, тогда как изотопы, более тяжелые, чем стабильные, распадаются в результате эмиссии электронов . Захват электронов чаще всего происходит в более тяжелых нейтронодефицитных 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 путем эмиссии позитронов, а происходит самопроизвольно при захвате электронов.

Типичные примеры [ править ]

Некоторые распространенные радионуклиды, которые распадаются исключительно за счет захвата электронов, включают:

Нуклид	Период полураспада
⁷ ₄ Будь	53,28 д.
³⁷ ₁₈ Ар	35,0 д
⁴¹ ₂₀ Калифорния	1.03 × 10 ⁵ а
⁴⁴ ₂₂ Ти	60 а
⁴⁹ ₂₃23В	337 д.

Нуклид	Период полураспада
⁵¹ ₂₄ Кр	27,7 д.
⁵³ ₂₅ млн.	3.7 × 10 ⁶ а
⁵⁵ ₂₆ февраля	2,6 а
⁵⁷ ₂₇ Ко	271,8 д
⁵⁹ ₂₈ Ни	7.5 × 10 ⁴ а

Нуклид	Период полураспада
⁶⁷ ₃₁ млрд лет	3,260 д
⁶⁸ ₃₂ Ge	270,8 д
⁷² ₃₄ Се	8,5 д.

Полный список смотрите в таблице нуклидов .

См. также [ править ]

Предел Чандрасекара

Ссылки [ править ]

^ Коттингем, Западная Нью-Йорк; Гринвуд, Д.А. (1986). Введение в ядерную физику . Издательство Кембриджского университета . п. 40 . ISBN 978-0-521-31960-7 .
^ «Эксперименты Райнса-Коуэна: обнаружение полтергейста» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . 25 :3. 1997.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Альварес, Луис В.; Троуэр, В. Питер (1987). «Глава 3: Захват К-электрона ядрами» . Открытие Альвареса: Избранные работы Луиса В. Альвареса с комментариями его учеников и коллег . Сегре, Эмилио (комментарий). Издательство Чикагского университета. стр. 11–12. ISBN 978-0-226-81304-2 – через archive.org.
^ «Луис Альварес, биография» . Нобелевская премия . Нобелевская премия по физике 1968 года . Проверено 7 октября 2009 г.
^ Альварес, Луис В. (1937). «Ядерный захват К-электрона». Физический обзор . 52 (2): 134–135. Бибкод : 1937PhRv...52..134A . дои : 10.1103/PhysRev.52.134 .
^ Альварес, Луис В. (1937). «Захват электрона и внутренняя конверсия в галлии 67». Физический обзор . 53 (7): 606. Бибкод : 1938PhRv...53..606A . дои : 10.1103/PhysRev.53.606 .
^ Альварес, Луис В. (1938). «Захват орбитальных электронов ядрами». Физический обзор . 54 (7): 486–497. Бибкод : 1938PhRv...54..486A . дои : 10.1103/PhysRev.54.486 .
^ Босх, Фриц (1995). «Управление временем жизни ядер в накопительных кольцах» (PDF) . Физика Скрипта . Т59 : 221–229. Бибкод : 1995PhST...59..221B . дои : 10.1088/0031-8949/1995/t59/030 . S2CID 250860726 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2013 г.
^ Ван, Б.; и др. (2006). «Изменение ⁷Период полураспада захвата электронов в металлических средах». Европейский физический журнал A. 28 ( 3): 375–377. Bibcode : 2006EPJA...28..375W . doi : 10.1140/epja/i2006-10068-x . S2CID 121883028 .

Внешние ссылки [ править ]

«ЖИВАЯ карта нуклидов» . Секция ядерных данных МАГАТЭ. Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии . Проверено 16 августа 2020 г. . с фильтром на захвате электронов

[1] Коттингем, Западная Нью-Йорк; Гринвуд, Д.А. (1986). Введение в ядерную физику . Издательство Кембриджского университета . п. 40 . ISBN 978-0-521-31960-7 .

[2] «Эксперименты Райнса-Коуэна: обнаружение полтергейста» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . 25 :3. 1997.

[k-3] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Альварес, Луис В.; Троуэр, В. Питер (1987). «Глава 3: Захват К-электрона ядрами» . Открытие Альвареса: Избранные работы Луиса В. Альвареса с комментариями его учеников и коллег . Сегре, Эмилио (комментарий). Издательство Чикагского университета. стр. 11–12. ISBN 978-0-226-81304-2 – через archive.org.

[4] «Луис Альварес, биография» . Нобелевская премия . Нобелевская премия по физике 1968 года . Проверено 7 октября 2009 г.

[5] Альварес, Луис В. (1937). «Ядерный захват К-электрона». Физический обзор . 52 (2): 134–135. Бибкод : 1937PhRv...52..134A . дои : 10.1103/PhysRev.52.134 .

[6] Альварес, Луис В. (1937). «Захват электрона и внутренняя конверсия в галлии 67». Физический обзор . 53 (7): 606. Бибкод : 1938PhRv...53..606A . дои : 10.1103/PhysRev.53.606 .

[7] Альварес, Луис В. (1938). «Захват орбитальных электронов ядрами». Физический обзор . 54 (7): 486–497. Бибкод : 1938PhRv...54..486A . дои : 10.1103/PhysRev.54.486 .

[8] Босх, Фриц (1995). «Управление временем жизни ядер в накопительных кольцах» (PDF) . Физика Скрипта . Т59 : 221–229. Бибкод : 1995PhST...59..221B . дои : 10.1088/0031-8949/1995/t59/030 . S2CID 250860726 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2013 г.

[9] Ван, Б.; и др. (2006). «Изменение ⁷Период полураспада захвата электронов в металлических средах». Европейский физический журнал A. 28 ( 3): 375–377. Bibcode : 2006EPJA...28..375W . doi : 10.1140/epja/i2006-10068-x . S2CID 121883028 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]