انبعاث البوزيترون

انبعاث البوزيترون ، أو تحلل بيتا الموجب، هو نوع ^فرعي من التحلل الإشعاعي يُسمى تحلل بيتا ، حيث يتحول بروتون داخل نواة نظير مشع إلى نيوترون، مُطلقًا بوزيترونًا ونيوترينو إلكترونيًا ( νe ) . ^{[ 1 ]} يتم انبعاث البوزيترون بواسطة القوة النووية الضعيفة . البوزيترون هو نوع من جسيمات بيتا (β ^{+ )،} _أما جسيم بيتا الآخر فهو الإلكترون (β- ⁾ المنبعث من تحلل بيتا ^السالب للنواة.

يُظهر المثال التالي انبعاث البوزيترون (تحلل بيتا ⁺ ) مع تحلل المغنيسيوم-23 إلى صوديوم-23 :

²³ ₁₂ Mg→ ²³ ₁₁ Na+e ⁺+ ν_هـ

بسبب انخفاض عدد البروتونات مقارنةً بعدد النيوترونات نتيجةً لانبعاث البوزيترونات، يحدث تحلل البوزيترونات عادةً في النويدات المشعة الكبيرة الغنية بالبروتونات. ويؤدي تحلل البوزيترونات إلى تحول نووي ، حيث تتحول ذرة عنصر كيميائي إلى ذرة عنصر آخر ذي عدد ذري ​​أقل بوحدة واحدة.

يحدث انبعاث البوزيترونات في الطبيعة على الأرض بشكل نادر للغاية. ومن الأمثلة المعروفة تفاعلات الأشعة الكونية وتحلل بعض النظائر ، مثل البوتاسيوم-40 . يشكل هذا الشكل النادر من البوتاسيوم 0.012% فقط من العنصر على الأرض، وتبلغ احتمالية تحلله عن طريق انبعاث البوزيترونات 1 من 100,000.

لا ينبغي الخلط بين انبعاث البوزيترون وانبعاث الإلكترون أو تحلل بيتا السالب (تحلل بيتا ^السالب )، والذي يحدث عندما يتحول النيوترون إلى بروتون وتصدر النواة إلكترونًا ومضاد نيوترينو.

يختلف انبعاث البوزيترون عن اضمحلال البروتون ، وهو الاضمحلال الافتراضي للبروتونات، وليس بالضرورة تلك المرتبطة بالنيوترونات، وليس بالضرورة من خلال انبعاث البوزيترون، وليس كجزء من الفيزياء النووية، بل كجزء من فيزياء الجسيمات .

في عام 1934، _{قام فريدريك وإيرين جوليو-كوري بقصف الألومنيوم بجسيمات ألفا (المنبعثة من البولونيوم) لإحداث التفاعل النووي 4²He} + 27¹³Al → 30¹⁵P ₊ 1⁰n ، ولاحظا ^أن النظير الناتج 30¹⁵P يُصدر ^{بوزيترونًا} مطابقًا ^لتلك التي _عثر عليها كارل ديفيد أندرسون _في ^الأشعة الكونية ^{عام 1932.} [ 2 _] ^{كان هذا} أول مثال ^على β⁺      التحلل الإشعاعي (انبعاث البوزيترون). أطلق الزوجان كوري على هذه الظاهرة اسم "النشاط الإشعاعي الاصطناعي"، لأن _{الفوسفور-35} ^نظير قصير العمر لا يوجد في الطبيعة. وقد ذُكر اكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي عند فوز الزوجين بجائزة نوبل.

تشمل النظائر التي تخضع لهذا التحلل وتُصدر بالتالي بوزيترونات، على سبيل المثال لا الحصر: الكربون-11 ، والنيتروجين-13 ، والأكسجين-15 ، والفلور-18 ، والنحاس-64 ، والغاليوم-68، والبروم-78، والروبيديوم-82 ، والإتريوم-86، والزركونيوم-89، ^{[ 3 ]} والصوديوم-22 ، والألومنيوم-26 ، والبوتاسيوم-40 ، والسترونتيوم-83 ، واليود-124 . ^{[ 3 ] [ 4 ]} على سبيل المثال، تصف المعادلة التالية تحلل بيتا الموجب للكربون-11 إلى البورون -11، مُصدراً بوزيتروناً ونيوترينو :

11 6 درجة مئوية

→

11 5 ب

+

هـ +

+

νهـ

+

0.96 ميغا إلكترون فولت

تعتمد الطاقة المنبعثة على النظير المتحلل؛ رقم0.96  ميغا إلكترون فولت ينطبق فقط على تحلل الكربون-11 .

تحتوي البروتونات والنيوترونات على جسيمات أساسية تُسمى الكواركات . النوعان الأكثر شيوعًا من الكواركات هما الكواركات العلوية ، التي تحمل شحنة +2/3 ، والكواركات السفلية ، التي تحمل شحنة -1/3 . تترتب الكواركات في مجموعات ثلاثية لتكوين البروتونات والنيوترونات . في البروتون، الذي يحمل شحنة +1، يوجد كواركان علويان وكوارك سفلي واحد ( 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1 ) . أما النيوترونات، عديمة الشحنة، فتحتوي على كوارك علوي واحد وكواركين سفليين ( 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0 ) . من خلال التفاعل الضعيف ، يمكن للكواركات أن تغير نكهتها من سفلية إلى علوية ، مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات . يحدث انبعاث البوزيترون عندما يتحول الكوارك العلوي إلى كوارك سفلي ، مما يحول البروتون فعلياً إلى نيوترون. ^{[ 5 ]}

قد تتحلل النوى التي تتحلل بانبعاث البوزيترون أيضًا عن طريق أسر الإلكترون . بالنسبة للتحللات منخفضة الطاقة، يُفضل أسر الإلكترون طاقيًا بمقدار 2m _e c ² =1.022  ميغا إلكترون فولت ، لأن الحالة النهائية تتضمن إزالة إلكترون بدلاً من إضافة بوزيترون. ومع ازدياد طاقة الاضمحلال، يزداد أيضًا معدل انبعاث البوزيترون. ومع ذلك، إذا كان فرق الطاقة أقل من 2 ميغا _{إلكترون} فولت/ ^ثانية² ، فلا يمكن أن يحدث انبعاث البوزيترون، ويكون التقاط الإلكترون هو نمط الاضمحلال الوحيد. بعض النظائر التي تلتقط الإلكترونات (على سبيل المثال، ⁷تكون العناصر (Be ) مستقرة في الأشعة الكونية المجرية ، لأن الإلكترونات تُنزع منها وطاقة الاضمحلال صغيرة جدًا بالنسبة لانبعاث البوزيترون.

يُقذف بوزيترون من النواة الأم، لكن الذرة الناتجة (Z−1) لا تزال تحمل Z إلكترونًا ذريًا من النواة الأم، أي أن الذرة الناتجة أيون سالب (على الأقل مباشرة بعد انبعاث البوزيترون). وبما أن جداول الكتل مخصصة للكتل الذرية ، ${\displaystyle _{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow _{Z-1}^{A}{\textrm {Y}}+_{+1}^{0}{\textrm {e}}^{+}+_{-1}^{0}{\textrm {e}}^{-}}$ وبما أن كتلة البوزيترون مطابقة لكتلة الإلكترون، فإن النتيجة الإجمالية هي أن طاقة كتلة إلكترونين مطلوبة، ويكون تحلل β ⁺ ممكنًا من الناحية الطاقية فقط إذا كانت كتلة الذرة الأصلية تتجاوز كتلة الذرة الناتجة بما لا يقل عن كتلتي إلكترونين (2mec² ⁼ 1.022 ميغا إلكترون _فولت ). ^{[ 6 ]} 

لا يمكن للنظائر التي تزداد كتلتها عند تحول البروتون إلى نيوترون، أو التي تنخفض كتلتها بأقل من 2 m _e ، أن تتحلل تلقائيًا عن طريق انبعاث البوزيترون. ^{[ 6 ]}

تُستخدم هذه النظائر في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، وهي تقنية تُستخدم في التصوير الطبي.

النظائر قصيرة العمر التي تبعث البوزيترونات ^11C (T _{1 ⁄ 2} =20.4  دقيقة )، ¹³ نيوتن (T _{1 ⁄ 2} =9.9  دقيقة )، ¹⁵ O (T _{1 ⁄ 2} =2.0  دقيقة )، و ¹⁸ فهرنهايت (T _{1 ⁄ 2} =تُستخدم الأشعة السينية (109.8  دقيقة ) في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، وعادةً ما تُنتج عن طريق تشعيع الأهداف الطبيعية أو المخصبة بالبروتونات أو الديوتريوم. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• مخطط حيّ للنوى: بيانات التركيب النووي والتحلل (أنماط التحلل الرئيسية) - الوكالة الدولية للطاقة الذرية