Pozitron emisyonu
Pozitron emisyonu veya beta artı bozunması (β+ bozunması), beta bozunması adı verilen radyoaktif bozunmanın bir alt türüdür; burada bir radyonüklid çekirdeğinin içindeki bir proton, bir pozitron ve bir elektron nötrino (νe) salarken bir nötrona dönüştürülür. Pozitron emisyonuna zayıf kuvvete aracılık eder. Pozitron bir tür beta parçacıktır (β+), diğer beta parçacığı, çekirdeğin β− bozulmasından yayılan elektron β−'dur.
Pozitron emisyonunun bir örneği (β+ bozunması) magnezyum-23'ün sodyum-23'e bozunması ile gösterilmiştir:
- 23
12Mg
→ 23
11Na
+
e+
+
ν
e
Pozitron emisyonu nötron sayısına göre proton sayısını azalttığından, pozitron bozunması tipik olarak büyük "proton açısından zengin" radyonüklidlerde meydana gelir. Pozitron bozunması, bir kimyasal elementin bir atomunu, bir ünite tarafından daha az atom numarası olan bir elementin atomuna dönüştürerek nükleer dönüşümle sonuçlanır.
Pozitron emisyonu, kozmik bir ışın tarafından indüklendiğinde veya yeryüzündeki bu elementin %0.012'si olan nadir bir izotop olan yüz bin bozunmasından birinde nadiren doğal olarak meydana gelir.
Pozitron emisyonu, bir nötron protona dönüştüğünde ve çekirdek bir elektron ve bir antinötrino yaydığında ortaya çıkan elektron emisyonu veya beta eksi bozunması (β− bozunması) ile karıştırılmamalıdır.
Pozitron emisyonu proton bozunmasından, protonların varsayımsal bozunmasından farklıdır, mutlaka nötronlarla bağlı olanlar değil, mutlak bir pozitron emisyonu yoluyla değil, nükleer fiziğin bir parçası olarak değil, daha ziyade parçacık fiziği.
Pozitron emisyonunun keşfi
1934'te Frédéric ve Irène Joliot-Curie nükleer reaksiyonu gerçekleştirmek için alfa parçacıklarıyla alüminyum bombardımanı yaptı 4
2He
+ 27
13Al
→ 30
15P
+ 1
0n
ve ürünün izotop 30
15P
olduğunu gözlemledi. 1932'de Carl David Anderson tarafından kozmik ışınlarda bulunanlarla aynı pozitron yayar. Bu, β+ bozunumunun (pozitron emisyonu) ilk örneğiydi. Curies, "yapay radyoaktivite" fenomeni olarak adlandırıldı, çünkü 30
15P
, doğada bulunmayan kısa ömürlü bir nükliddir. Yapay radyoaktivitenin keşfi, karı koca ekibi Nobel Ödülü'nü kazandı.
Pozitron yayan izotoplar
Bu bozunmaya uğrayan ve böylece pozitron yayan izotoplar arasında karbon-11, potasyum-40, azot-13, oksijen-15, alüminyum-26, sodyum-22, flor-18, stronsiyum-83 ve iyot-124 bulunur. Örnek olarak, aşağıdaki denklem bir pozitron ve bir nötrino yayan karbon artı 11'in bor artı 11'e beta artı bozunmasını tarif eder:
11
6C
→ 11
5B
+ Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla + Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla + 0.96 MeV
Emisyon mekanizması
Protonların ve nötronların içinde kuark denilen temel parçacıklar vardır. En yaygın iki kuark tipi +2/3 yükü olan yukarı kuarklar ve −1/3 yükü olan aşağı kuarklardır. Kuarklar kendilerini proton ve nötron yapabilecekleri üç set halinde düzenlerler. Yükü +1 olan bir protonda iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark vardır (2/3 + 2/3 − 1/3 = 1). Nötronlar, serbest, bir yukarı kuark ve iki aşağı kuark içerir (2/3 − 1/3 − 1/3 = 0). Zayıf etkileşim yoluyla kuarklar çeşni vermek aşağıdan yukarıya doğru değiştirerek elektron emisyonuna neden olabilir. Pozitron emisyonu, yukarı kuark aşağı kuark şeklinde değiştiğinde meydana gelir (2/3 − 1 = −1/3).
Pozitron emisyonu ile bozunan çekirdekler elektron yakalama ile bozunur. Düşük enerjili bozulmalar için, elektron yakalama enerjik olarak 2mec2 = 1.022 MeV tarafından tercih edilir, çünkü nihai durumda bir pozitron ilave etmek yerine bir elektron çıkarılır. Bozunmanın enerjisi arttıkça, pozitron emisyonuna doğru dallanma oranı da artar.
Ancak, enerji farkı 2mec2'den azsa, pozitron emisyonu meydana gelemez ve elektron yakalama tek bozunma modudur. Aksi takdirde, elektron yakalayan bazı izotoplar (örneğin, 7
Be
) galaktik kozmik ışınlarda stabildir, çünkü elektronlar sıyrılır ve bozunma enerjisi pozitron emisyonu için çok küçüktür.
Enerji tasarrufu
Ana çekirdekten bir pozitron çıkarılır ve kızı (Z1) atomu, yükü dengelemek için bir yörünge elektronu yayar. Genel sonuç, iki elektronun kütlesinin atomdan çıkarılmasıdır (biri pozitron için ve diğeri elektron için) ve β+ bozunması enerjisel olarak ancak ana atomun kütlesi en az iki elektron kütlesi (1.02 MeV) tarafından atomun kızı kütlesini aşarsa mümkündür.
Bir protonun bir nötrona dönüşümü altında kütlede artan veya kütlenin 2me'den daha az azalan izotopları, pozitron emisyonu ile kendiliğinden bozunamaz.
Uygulama
Bu izotoplar, tıbbi görüntüleme için kullanılan teknik olan pozitron emisyon tomografisinde kullanılır. Yayılan enerjinin bozulan izotoplara bağlı olduğunu unutmayın; 0.96 MeV değeri sadece karbon-11'in bozulması için geçerlidir.
Pozitron emisyon tomografisi için kullanılan kısa ömürlü pozitron yayan izotoplar 11C, 13N, 15O ve 18F tipik olarak doğal veya zenginleştirilmiş hedeflerin proton ışınlaması ile üretilir.