Позитронная эмиссия

Чтобы узнать о методе медицинской визуализации, см. Позитронно-эмиссионную томографию .

Эмиссия позитрона , бета плюс распад или β ⁺ распад — это подтип радиоактивного распада, называемый бета-распадом , при котором протон внутри ядра радионуклида превращается в нейтрон с выделением позитрона и электронного нейтрино ( ν _e ). Эмиссия позитронов осуществляется посредством слабого взаимодействия . Позитрон — это разновидность бета-частицы (β ⁺ ), другой бета-частицей является электрон (β ⁻ ), излучаемый из β ⁻ распад ядра.

Пример эмиссии позитронов (β ⁺ распад) показан с магния-23 распадом на натрий-23 :

²³
₁₂ мг
→ ²³
₁₁ На
+
и ⁺
-
н
_и

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 позитронов не следует путать с эмиссией электронов или бета-распадом (β ⁻ распад), 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 .

Открытие позитронной эмиссии

В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами (испускаемыми полонием ), чтобы вызвать ядерную реакцию. ⁴
₂ Он
 +  ²⁷
₁₃ Ал
 → ³⁰
₁₅ П
 +  ¹
₀ н
и заметил, что образующийся изотоп ³⁰
₁₅ П
испускает позитрон, идентичный тем, которые были обнаружены в космических лучах Карлом Дэвидом Андерсоном в 1932 году. Это был первый пример
б ⁺
распад (эмиссия позитронов). Кюри назвали это явление «искусственной радиоактивностью». ³⁰
₁₅ П
короткоживущий нуклид, не существующий в природе. Открытие искусственной радиоактивности будет упомянуто, когда команда мужа и жены получит Нобелевскую премию.

Позитронно-излучающие изотопы

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, натрий-22 , алюминий-26 , калий-40 , стронций-83 и йод-124 . В качестве примера следующее уравнение описывает бета-распад углерода-11 до бора -11 с испусканием позитрона и нейтрино :

11 6 С

→

11 5 Б

+

и +

+

н и

+

0,96 МэВ

Механизм эмиссии

Внутри протонов и нейтронов есть фундаментальные частицы, называемые кварками . Два наиболее распространенных типа кварков — это ап-кварки , имеющие заряд + 2 ⁄ 3 и нижние кварки с - 1 ⁄ заряда . 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.

Ядра, которые распадаются в результате испускания позитронов, могут также распадаться в результате захвата электронов . Для распадов с низкой энергией 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 менее 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.

Энергосбережение

Позитрон выбрасывается из родительского ядра, но дочерний атом (Z-1) все еще имеет Z атомных электронов от родительского, т.е. дочерний ион является отрицательным ионом (по крайней мере, сразу после испускания позитрона). Поскольку таблицы масс предназначены для атомных масс, $_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow _{Z-1}^{A}{\textrm {Y}}+_{+1}^{0}{\textrm {e}}^{+}+_{-1}^{0}{\textrm {e}}^{-}$, и, поскольку масса позитрона идентична массе электрона, общий результат таков, что масса-энергия двух электронов, а β требуется ⁺ распад энергетически возможен тогда и только тогда, когда масса родительского атома превышает массу дочернего атома хотя бы на две массы электрона (2 m _e c ² = 1,022 МэВ).

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.

Приложение

Эти изотопы используются в позитронно-эмиссионной томографии — методе медицинской визуализации. Выделяемая энергия зависит от распадающегося изотопа; цифра 0,96 МэВ относится только к распаду углерода-11 .

Короткоживущие изотопы, излучающие позитроны ¹¹ С (Т _{1 ⁄ 2} = 20,4 мин ), ¹³ Н (Т _{1 ⁄ 2} = 10 мин ), ¹⁵ О (Т _{1 ⁄ 2} = 2 мин ), и ¹⁸ Ф (Т _{1 ⁄ 2} = 110 мин ), используемые для позитронно-эмиссионной томографии, обычно производятся путем облучения протонами природных или обогащенных мишеней.

Внешние ссылки

• Живая диаграмма нуклидов: данные о ядерной структуре и распаде (основные режимы распада) - МАГАТЭ