Введение

Тип радиоактивного распада

Позитронный распад, бета-плюс распад или β+ распад — это подтип радиоактивного распада, называемый бета-распад, при котором протон внутри радионуклидного ядра преобразуется в нейтрон с выделением позитрона и электронного нейтрино (νe). Позитронная эмиссия опосредована слабым взаимодействием. Позитрон является типом бета-частицы (β+), другой бета-частицей является электрон (β−), испускаемый при β− распаде ядра. Пример позитронной эмиссии (β+ распад) показан на примере распада магния-23 в натрий-23:

Магний-23 → Натрий-23 +

Поскольку позитронная эмиссия уменьшает количество протонов по отношению к количеству нейтронов, позитронный распад обычно происходит в крупных "протон-избыточных" радионуклидах. Позитронный распад приводит к ядерной трансмутации, превращая атом одного химического элемента в атом элемента с атомным номером, меньшим на единицу. Позитронная эмиссия встречается на Земле крайне редко, либо при индуцировании космическим лучом, либо в одном из ста тысяч распадов калия-40, редкого изотопа, составляющего 0,012% этого элемента на Земле. Позитронную эмиссию не следует путать с электронным излучением или бета-минус распадом (β− распад), который происходит, когда нейтрон превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино. Позитронная эмиссия отличается от протонного распада — гипотетического распада протонов, не обязательно связанных с нейтронами, не обязательно посредством испускания позитрона и не являющегося частью ядерной физики, а скорее физики частиц.

Открытие позитронной эмиссии

В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами (излучаемыми полонием), чтобы вызвать ядерную реакцию: Гелий-4 + Алюминий-27 → Фосфор-30 + Нейтрон. Они наблюдали, что изотоп Фосфор-30 испускает позитрон, идентичный тем, что были обнаружены Карлом Дэвидом Андерсоном в космических лучах в 1932 году. Это был первый пример бета-плюс распада (эмиссии позитронов). Жолио-Кюри назвали это явление «искусственной радиоактивностью», поскольку Фосфор-30 – это короткоживущий нуклид, не встречающийся в природе. Открытие искусственной радиоактивности было отмечено, когда супруги были удостоены Нобелевской премии.

Изотопы, излучающие позитроны

Изотопы, которые подвергаются этому распаду и тем самым испускают позитроны, включают, но не ограничиваются следующими: 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. Ядра, распадающиеся посредством бета-плюс распада, могут также распадаться путем захвата электронов. Для распада с низкой энергией захват электронов энергетически более выгоден на 2mec2 = 1.022, поскольку в конечном состоянии удаляется электрон, а не добавляется позитрон. С увеличением энергии распада увеличивается и доля позитронного излучения. Однако, если разность энергий меньше 2mec2, то испускание позитронов невозможно, и захват электронов является единственным каналом распада. Некоторые изотопы, обычно подвергающиеся захвату электронов (например, бериллий), стабильны в галактических космических лучах, поскольку электроны отрываются, а энергия распада оказывается недостаточной для испускания позитронов.

Энергосбережение

Позитрон выбрасывается из родительского ядра, но дочерний (Z-1) атом все еще сохраняет Z атомных электронов от родительского атома, то есть дочерний атом является отрицательным ионом (по крайней мере, сразу после эмиссии позитрона). Поскольку таблицы масс содержат атомные массы, а масса позитрона идентична массе электрона, конечный результат заключается в том, что требуется энергия, эквивалентная массе двух электронов. β+ распад энергетически возможен только в том случае, если масса родительского атома превышает массу дочернего атома как минимум на две массы электронов (2me c2 = 1,022 МэВ). Изотопы, масса которых увеличивается при преобразовании протона в нейтрон, или масса которых уменьшается менее чем на 2me, не могут спонтанно распадаться посредством позитронной эмиссии.