Кіріспе

Радиоактивті ыдырау түрі

Позитрон эмиссиясы, бета плюс ыдырауы немесе β+ ыдырауы – бета ыдырауы деп аталатын радиоактивті ыдыраудың бір түрі. Онда радионуклид ядросының ішіндегі протон, позитрон мен электрон нейтриносын (νe) шығарып, нейтронға айналады. Позитрон эмиссиясы әлсіз күш арқылы жүзеге асырылады. Позитрон – бета бөлшегінің (β+) бір түрі, ал екінші бета бөлшегі – ядроның β− ыдырауынан шығатын электрон (β−). Позитрон эмиссиясының (β+ ыдырауы) мысалы – магний-23 натрий-23-ке ыдырауы:

Магний-23 → Натрий-23 +

Позитрон эмиссиясы протонның санын нейтрон санына қатысты азайтатындықтан, позитрон ыдырауы көбінесе "протонға толы" радионуклидтерде болады. Позитрон ыдырауы ядролық трансмутацияға алып келеді, яғни бір химиялық элементтің атомын атомдық нөмірі бір бірлік кем элементтің атомына айналдырады. Позитрон эмиссиясы Жерде табиғатта өте сирек кездеседі, ол ғарыштық сәулелердің әсерінен немесе жердегі калий-40 изотопының (сирек кездесетін изотоп) жүз мың ыдырауының біреуінен туындайды. Позитрон эмиссиясын электрон эмиссиясымен немесе бета минус ыдырауымен (β− ыдырауы) шатастырмау керек, ол нейтрон протонға айналғанда және ядро электрон мен антинейтрино шығарғанда болады. Позитрон эмиссиясы протон ыдырауынан өзгеше, ол – гипотетикалық ыдырау, протонның нейтрондармен байланысқан болуы міндетті емес, позитрон эмиссиясы арқылы да жүрмейді және ядролық физиканың емес, бөлшектер физикасының бөлігі болып табылады.

Позитондық эмиссияны ашу

1934 жылы Фредерик және Ирен Жолио Кюри алюминийді альфа бөлшектерімен (полонийден шығарылған) бомбалады, нәтижесінде гелий 4 + алюминий 27 → фосфор 30 + нейтрон 1 ядролық реакциясы жүзеге асты. Олар фосфор 30 изотопының 1932 жылы Карл Давид Андерсонның ғарыш сәулелерінде тапқан позитрондармен бірдей позитрон шығаратынын байқады. Бұл позитрон шығару арқылы ыдыраудың алғашқы мысалы болды. Кюрилер бұл құбылысты "жасанды радиоактивтілік" деп атады, себебі фосфор 30 – табиғатта кездеспейтін, қысқа ғұмырлы нуклид. Жасанды радиоактивтіліктің ашылуы күйеу мен әйел командасы Нобель сыйлығын алған кезде еске алынды.

Позитрондар шығаратын изотоптар

Осы ыдырауға түсіп, позитрондарды шығаратын изотоптарға мыналар кіреді, бірақ олармен шектелмейді: көміртек-11, азот-13, оттек-15, фтор-18, мыс-64, галлий-68, бром-78, рубидий-82, иттрий-86, цирконий-89, натрий-22, алюминий-26, калий-40, стронций-83 және йод-124. Позитронмен эмиссия арқылы ыдырайтын ядролар электронды тұтқындау арқылы да ыдырауы мүмкін. Төмен энергиялы ыдыраулар үшін электронды тұтқындау 2mec2 = 1.022 энергиясымен артықшылыққа ие, себебі соңғы күйде позитрон қосылудың орнына электрон алынып тасталады. Ыдырау энергиясы жоғарылаған сайын позитрон эмиссиясының үлесі де артады. Дегенмен, егер энергия айырмасы 2mec2-ден кем болса, позитрон эмиссиясы мүмкін емес және электронды тұтқындау – ыдыраудың жалғыз түрі болып табылады. Кейбір басқа жағдайда электронды тұтқындайтын изотоптар (мысалы, Link=yes Бериллий) галактикалық ғарыштық сәулелерде тұрақты болады, өйткені электрондар алынып тасталады және ыдырау энергиясы позитрон эмиссиясы үшін жеткіліксіз болады.

Энергияны үнемдеу

Позитрон аталық ядродан шығарылады, бірақ қыз (Z-1) атомда аталық атомнан Z атомдық электрон бар, яғни қыз теріс ион болып табылады (кем дегенде позитрон шығарылғаннан кейін). Массалар тізімі атомдық массалар үшін берілгендіктен, және позитронның массасы электрон массасына тең болғандықтан, жалпы нәтиже екі электронның массалық энергиясын қажет етеді, ал β+ ыдырауы энергиялық тұрғыдан мүмкін болатын жағдайда ғана болады: аталық атомның массасы қыз атомның массасынан кем дегенде екі электрон массасына (2me c2 = 1,022 МэВ) артық болу керек. Протон нейтронға айналғанда массасы артатын, немесе массасы 2me-ден аз төмендейтін изотоптар позитрон шығару арқылы спонтанды ыдырамайды.