К-захват

Ядерная физика

Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция Распад ядер Альфа-распад · Бета-распад · Гамма излучение · Кластерный распад Сложный распад Электронный захват · двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход Излучения Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад Захваты Электронный захват · Нейтронный захват R · S · P · Rp Реакции деления Спонтанное деление · Spallation · Cosmic ray spallation · Photodisintegration Ядерный синтез Stellar Nucleosynthesis Big Bang nucleosynthesis Supernova nucleosynthesis Известные учёные Беккерель · Бете · Мария Кюри · Кюри, Пьер · Ферми

Электро́нный захва́т, e-захват — один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер. Если энергетическая разница между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом. Например, рубидий-83 превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).

Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева.

Общая формула электронного захвата

$\mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e \,$

Примеры:

$\mathrm{{}^{26}_{13}Al}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{26}_{12}Mg}+{\nu}_e$

$\mathrm{{}^{59}_{28}Ni}+\mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{{}^{59}_{27}Co}+{\nu}_e$

Процессы в электронной оболочке

Электрон захватывается ядром с, как правило, ближайших к нему электронных оболочек (в порядке K, L, M, N, …), причём при прочих равных условиях максимальна вероятность захвата s-электрона. Это обусловлено тем, что плотность волновой функции орбитального электрона в ядре наибольшая для низколежащих электронных оболочек, причём для s-электронов (с нулевым орбитальным моментом l=0) плотность имеет максимум при r=0, а для p-, d-, f-… электронов (l=1, 2, 3, …) плотность в ядре нулевая. Кроме того, плотность электронов в ядре увеличивается с ростом заряда ядра, поэтому электронный захват более вероятен для тяжёлых ядер. В случае захвата электрона с K-оболочки процесс называется К-захватом, с L-оболочки — L-захватом и т. д.

Атом при электронном захвате переходит в возбуждённое состояние с внутренней оболочкой без электрона (или, как говорят, с «дыркой», вакансией на внутренней оболочке). Снятие возбуждения атомной оболочки происходит путём перехода на нижний уровень электрона с одной из верхних оболочек, причем образовавшуюся на более высокой оболочке вакансию может заполнить электрон с ещё более высокой оболочки и т. д. Энергия, выделяющаяся при этом, уносится одним или несколькими фотонами рентгеновского излучения и/или одним или несколькими Оже-электронами. Если электронный захват происходит в атоме, находящемся в вакууме или разреженном газе, распавшийся атом образует, как правило, многозарядный положительный ион вследствие потери оже-электронов; вероятность сохранения атомом нейтральности порядка процента и менее.

Распределение энергии и импульса

Электронные нейтрино, образующиеся в e-захвате, имеют моноэнергетический спектр, поскольку кинетическая энергия распада делится между двумя частицами: нейтрино и ядром отдачи. Импульсы этих частиц в системе центра инерции равны, однако дочернее ядро на много порядков массивнее, чем нейтрино, поэтому почти вся выделившаяся в распаде энергия уносится нейтрино. Характерная кинетическая энергия ядер отдачи составляет лишь несколько эВ (несколько десятков эВ для лёгких ядер), характерная скорость - километры в секунду. Часть энергии, выделившейся в электронном захвате, передаётся электронной оболочке (эта энергия равна энергии связи захватываемого электрона) и выделяется в каскадных переходах в оболочке (см. выше).

В редких случаях электронный захват сопровождается возникновением гамма-кванта внутреннего тормозного излучения. При этом энергия и импульс распределяются между тремя частицами, и энергетический спектр нейтрино, тормозного фотона и ядра отдачи непрерывен. Этот процесс следует отличать от электронного захвата с заселением одного из возбуждённых уровней дочернего ядра, что во многих случаях даже более вероятно, чем заселение основного уровня (если переход на основной уровень подавлен правилами отбора по спину и чётности).

Влияние окружения на вероятность e-захвата

Радиоактивные ядра, для которых разрешён чистый электронный захват, оказываются стабильными, если они полностью ионизированы (такие ионы называют «голыми»). Такие ядра, сформированые в ходе r-процессов в взрывающейся сверхновой и выброшенные в космос при достаточно высокой температуре окружающей плазмы, могут остаться полностью ионизированными и, таким образом, стабильными по отношению к электронному захвату, пока они не встретятся с электронами в космосе. Аномалии в распределении элементов, как предполагается, частично возникли благодаря этому свойству электронного захвата.

Химические связи также могут влиять на вероятность электронного захвата (правда, в малой степени, обычно меньше 1 %) путём изменения электронной плотности вблизи ядра [1]. Экспериментально обнаружено также, что на вероятность электронного захвата некоторое (очень небольшое) влияние оказывают температура и давление окружающей среды — также посредством изменения электронной плотности в ядре. Ощутимое влияние окружающей среды на вероятность распада выделяет электронный захват из других видов радиоактивного распада.

См. также

• Бета-распад
• Эффект Оже
• Позитронный распад