emisión de positrones

La emisión de positrones , desintegración beta plus o desintegración β ^+, _es un subtipo de desintegración radiactiva denominada desintegración beta , en la que un protón dentro de un núcleo radionucleido se convierte en un neutrón , liberando un positrón y un neutrino electrónico ( νe ). ^{[ 1 ]} 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 la desintegración β− ^de un núcleo.

Se muestra un ejemplo de emisión de positrones (desintegración β ^{+ ) con la desintegración} del magnesio-23 en sodio-23 :

²³ ₁₂ Mg→ ²³ ₁₁ Na+e ⁺+ ν_mi

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 radionúclidos grandes "ricos en protones". La desintegración de positrones produce una transmutación nuclear , que transforma un átomo de un elemento químico en un átomo de un elemento con un número atómico menor en una unidad.

La emisión de positrones es un fenómeno extremadamente raro en la naturaleza terrestre. Entre los casos conocidos se incluyen las interacciones con rayos cósmicos y la desintegración de ciertos isótopos , como el potasio-40 . Esta forma rara de potasio constituye solo el 0,012 % del elemento en la Tierra y tiene una probabilidad de 1 entre 100 000 de desintegrarse mediante emisión de positrones.

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 desintegración hipotética de protones, no necesariamente aquellos ligados con 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 .

En 1934, Frédéric e Irène Joliot-Curie bombardearon aluminio con partículas alfa (emitidas por el polonio ) para efectuar la reacción nuclear ⁴ ₂ He  + ²⁷ ₁₃ Al → ³⁰ ₁₅ P + ¹ ₀ n , y observaron que el isótopo producto ³⁰ ₁₅ P emite un positrón idéntico a los encontrados en los rayos cósmicos por Carl David Anderson en 1932. ^{[ 2 ]} Este fue el primer ejemplo de β ⁺     desintegración (emisión de positrones). Los Curie denominaron a este fenómeno "radiactividad artificial", ya que _{el ³⁰¹⁵P} ^es un nucleido de corta vida que no existe en la naturaleza. El descubrimiento de la radiactividad artificial se citaría cuando el matrimonio ganara el Premio Nobel.

Los isótopos que experimentan 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, ^{[ 3 ]} sodio-22 , aluminio-26 , potasio-40 , estroncio-83 y yodo-124 . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Como ejemplo, la siguiente ecuación describe la desintegración beta plus del carbono-11 a boro -11, que emite un positrón y un neutrino :

La energía emitida depende del isótopo que se está desintegrando; la figura de0,96  MeV se aplica únicamente a la desintegración del carbono-11 .

Dentro de los protones y neutrones, existen partículas fundamentales llamadas quarks . Los dos tipos más comunes de quarks son los quarks arriba , que tienen una carga de +2/3 , y los quarks abajo , con una carga de -1/3 . Los quarks se organizan en grupos de tres para formar protones y neutrones . En un protón, cuya carga es +1 , hay dos quarks arriba y un quark abajo ( 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1). Los neutrones, sin carga, tienen un quark arriba y dos quarks abajo ( 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0). Mediante la interacción débil , los quarks pueden cambiar de sabor de abajo a arriba , lo que resulta en la 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. ^{[ 5 ]}

Los núcleos que se desintegran por emisión de positrones también pueden desintegrarse por captura electrónica . Para desintegraciones de baja energía, la captura electrónica es energéticamente favorecida por 2 m _e c ² =1,022  MeV , ya que en el estado final se elimina un electrón en lugar de añadir un positrón. A medida que aumenta la energía de la desintegración, también lo hace la fracción de ramificación de la emisión de positrones. Sin embargo, si la diferencia de energía es menor que 2 m _e c ² , la emisión de positrones no puede ocurrir y la captura de electrones es el único modo de desintegración. Ciertos isótopos que de otro modo capturarían electrones (por ejemplo, ⁷Los iones Be son estables en los rayos cósmicos galácticos porque los electrones se desprenden y la energía de desintegración es demasiado pequeña para la emisión de positrones.

Se expulsa un positrón del núcleo padre, pero el átomo hijo (Z−1) todavía tiene Z electrones atómicos del padre, es decir, el hijo es un ion negativo (al menos inmediatamente después de la emisión del positrón). Dado que las tablas de masas son para masas atómicas , ${\displaystyle _{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow _{Z-1}^{A}{\textrm {Y}}+_{+1}^{0}{\textrm {e}}^{+}+_{-1}^{0}{\textrm {e}}^{-}}$ y, dado que la masa del positrón es idéntica a la del electrón, el resultado general es que se requiere la masa-energía de dos electrones, y la desintegración β ⁺ es energéticamente posible si y solo si la masa del átomo padre excede la masa del átomo hijo en al menos dos masas electrónicas (2 m _e c ² = 1,022  MeV). ^{[ 6 ]}

Los isótopos que aumentan su masa al convertirse un protón en un neutrón, o que disminuyen su masa en menos de 2 m _e , no pueden desintegrarse espontáneamente por emisión de positrones. ^{[ 6 ]}

Estos isótopos se utilizan en la tomografía por emisión de positrones , una técnica empleada para la obtención de imágenes médicas.

Los isótopos emisores de positrones de corta duración ¹¹ C (T _{1 ⁄ 2} =20,4  min ), ¹³ N (T _{1 ⁄ 2} =9,9  min ), ¹⁵ O (T _{1 ⁄ 2} =2,0  min ), y ¹⁸ F (T _{1 ⁄ 2} =109,8  min ) utilizados para la tomografía por emisión de positrones se producen típicamente mediante la irradiación de blancos naturales o enriquecidos con protones o deuterones. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• Tabla dinámica de nucleidos: estructura nuclear y datos de desintegración (principales modos de desintegración) - OIEA