Emisión de positrones

emisión de positrones, desintegración beta plus o desintegración β⁺ es un subtipo de desintegración radiactiva llamada beta. desintegración, en la que un protón dentro de un núcleo de radionúclido se convierte en un neutrón mientras se libera un positrón y un neutrino electrónico (ν_e). La emisión de positrones está mediada por la fuerza débil. El positrón es un tipo de partícula beta (β⁺), siendo la otra partícula beta el electrón (β^-) emitido por el β^-. desintegración de un núcleo.

Se muestra un ejemplo de emisión de positrones (desintegración β⁺) con magnesio-23 descomponiéndose en sodio-23:

²³
₁₂Mg
→ ²³
₁₁Na
+
e⁺
+
.
_e

Debido a que la emisión de positrones disminuye el número de protones en relación con el número de neutrones, la desintegración de positrones ocurre típicamente en grandes núcleos "ricos en protones" radionucleidos. La desintegración de positrones produce una transmutación nuclear, cambiando un átomo de un elemento químico en un átomo de un elemento con un número atómico menor en una unidad.

La emisión de positrones ocurre muy raramente de forma natural en la Tierra, cuando es inducida por un rayo cósmico o por una entre cien mil desintegraciones de potasio-40, un isótopo raro, el 0,012% de ese elemento en la Tierra.

La emisión de positrones no debe confundirse con la emisión de electrones o la desintegración beta menos (desintegración β^-), que ocurre cuando un neutrón se convierte en un protón y el núcleo emite un electrón y un antineutrino.

La emisión de positrones es diferente de la desintegración de protones, la hipotética desintegración de protones, no necesariamente aquellos unidos a neutrones, no necesariamente a través de la emisión de un positrón, y no como parte de la física nuclear, sino más bien de la física de partículas.

Descubrimiento de la emisión de positrones

En 1934, Frédéric e Irène Joliot-Curie bombardearon aluminio con partículas alfa (emitidas por polonio) para efectuar la reacción nuclear ⁴
>₂Él
+ ²⁷
>₁₃Al
→ ³⁰
>₁₅P
> + ¹
₀n
>, y observó que el isótopo del producto ³⁰
₁₅P
> emite un positrón idéntico a los encontrados en los rayos cósmicos por Carl David Anderson en 1932. Este fue el primer ejemplo de
β⁺
> decaimiento (emisión de positrones). Los Curie denominaron al fenómeno "radiactividad artificial", porque ³⁰
>₁₅P
_</sub es un nucleido de vida corta que no existe en la naturaleza. El descubrimiento oLa radioactividad artificial se citaría cuando el equipo formado por marido y mujer ganara el Premio Nobel.

Isótopos emisores de positrones

Los isótopos que sufren esta desintegración y, por lo tanto, emiten positrones incluyen, entre otros: carbono-11, nitrógeno-13, oxígeno-15, flúor-18, cobre-64, galio-68, bromo-78, rubidio- 82, itrio-86, circonio-89, sodio-22, aluminio-26, potasio-40, estroncio-83 y yodo-124. Como ejemplo, la siguiente ecuación describe la desintegración beta plus del carbono-11 a boro-11, emitiendo un positrón y un neutrino:

116C

→

115B

+

e+

+

.

+

0.96 MeV

Mecanismo de emisión

Dentro de los protones y neutrones, hay partículas fundamentales llamadas quarks. Los dos tipos más comunes de quarks son los quarks up, que tienen una carga de +2 ⁄3 y quarks down, con un −1⁄3 carga. Los quarks se organizan en conjuntos de tres de modo que forman protones y neutrones. En un protón, cuya carga es +1, hay dos quarks up y un quark down (2⁄3 + 2⁄3 − 1 ⁄3 = 1). Los neutrones, sin carga, tienen un quark up y dos quarks down ( 2⁄3 − 1 ⁄3 − 1⁄3 = 0). A través de la interacción débil, los quarks pueden cambiar el sabor de abajo a arriba, lo que resulta en una emisión de electrones. La emisión de positrones ocurre cuando un quark arriba se transforma en un quark abajo, convirtiendo efectivamente un protón en un neutrón.

Los núcleos que se desintegran por emisión de positrones también pueden desintegrarse por captura de electrones. Para desintegraciones de baja energía, la captura de electrones se ve favorecida energéticamente por 2m_ec² = 1,022 MeV, ya que al estado final se le elimina un electrón en lugar de agregar un positrón. A medida que aumenta la energía de desintegración, también aumenta la fracción de ramificación de la emisión de positrones. Sin embargo, si la diferencia de energía es menor que 2m_ec², entonces no puede ocurrir la emisión de positrones y los electrones la captura es el único modo de descomposición. Ciertos isótopos que capturan electrones (por ejemplo, 7Be) son estables en los rayos cósmicos galácticos, porque los electrones son arrancados y la energía de desintegración es demasiado pequeña para emisión de positrones.

Conservación de energía

Un positrón es expulsado del núcleo principal y el átomo hijo (Z-1) debe desprenderse de un electrón orbital para equilibrar la carga. El resultado general es que la masa de dos electrones es expulsada del átomo (uno para el positrón y otro para el electrón), y la desintegración β⁺ es energéticamente posible si y sólo si la masa del El átomo padre excede la masa del átomo hijo en al menos dos masas de electrones (2m_e; 1,022 MeV).

Isotopes which increase in mass under the conversion of a proton to a neutron, or which decrease in mass by less than 2m_a, cannot spontaneously decay by positron emission.

Aplicación

Estos isótopos se utilizan en la tomografía por emisión de positrones, una técnica utilizada para la obtención de imágenes médicas. La energía emitida depende del isótopo que se está desintegrando; la cifra de 0,96 MeV se aplica únicamente a la desintegración del carbono-11.

Los isótopos emisores de positrones de vida corta ¹¹C (T_{1 ⁄2} = 20,4 min. ), ¹³N (T_1⁄2 = 10 min), ¹⁵O (T_1⁄2 = 2 min), y ¹⁸F (T_1⁄2 = 110 min) utilizados para la tomografía por emisión de positrones son típicamente producido por irradiación de protones de objetivos naturales o enriquecidos.