Электронный захват: механизм, кинематика и роль в ядерных превращениях
Электронный захват (ЕЗ), или захват орбитального электрона, представляет собой один из типов β⁺-распада, при котором протон в ядре превращается в нейтрон за счёт захвата электрона с одной из внутренних оболочек атома, преимущественно с K- или L-оболочек. В результате реакции излучается нейтрино, а образующееся ядро может оказаться в возбуждённом состоянии и перейти в основное, испустив γ-квант.
Общий вид ядерной реакции:
p + e− → n + νe
В нотации ядер:
ZAX + e−→Z − 1AY + νe
Таким образом, происходит уменьшение заряда ядра на единицу, но массовое число остаётся неизменным.
Электронный захват возможен, если масса исходного атома больше массы конечного атома не менее чем на массу электрона, то есть:
M(ZAX) > M(Z − 1AY)
где M — атомные массы, включая электронную оболочку.
В отличие от β⁺-распада, который требует энергетического порога в 1.022 МэВ (двойная масса электрона), электронный захват может происходить даже при меньшем избытке массы, что делает его более вероятным в случаях малой разности масс между изотопами.
Наиболее вероятен захват с K-оболочки (называется K-захватом), так как электроны на этой оболочке имеют наибольшую плотность вероятности нахождения вблизи ядра. Однако также возможен L-захват и даже захват с более высоких оболочек, хотя их вероятность существенно ниже.
Вероятность захвата электрона зависит от:
После захвата электрона в электронной оболочке возникает вакансия, которую быстро заполняют электроны с более высоких уровней. Это сопровождается:
Эти процессы позволяют экспериментально регистрировать электронный захват косвенно, по спектру рентгеновских фотонов или по энергетическим линиям ауже-электронов.
Продукт электронного захвата может оказаться в возбуждённом состоянии:
ZAX + e−→Z − 1AY* + νe
При этом возбуждённое ядро обычно быстро испускает γ-квант и переходит в основное состояние. Спектры γ-излучения дают информацию о структуре уровней дочернего ядра.
Электронный захват и β⁺-распад конкурируют, когда они оба энергетически разрешены. Вероятность каждого процесса зависит от массы родительского ядра и структуры энергетических уровней.
Если разность масс между атомами превышает 1.022 МэВ, возможны оба канала:
$$ \text{β⁺:} \quad ^A_ZX \rightarrow ^A_{Z-1}Y + e^+ + \nu_e \\ \text{ЕЗ:} \quad ^A_ZX + e^- \rightarrow ^A_{Z-1}Y + \nu_e $$
Для малых избыточных энергий (менее 1.022 МэВ) электронный захват остаётся единственным возможным каналом превращения.
Пример 1. Электронный захват в бериллии-7:
47Be + e−→37Li + νe
Этот процесс играет важную роль в термоядерных реакциях на Солнце, а также используется для исследования нейтрино.
Пример 2. Электронный захват в йоде-125:
125I + e−→125Te + νe
Используется в медицине и биологии для радиоизотопной диагностики. Регистрируется по γ-излучению.
Электронный захват активно участвует в нуклеосинтезе звёзд, особенно в процессе p-захвата в массивных звёздах, а также в процессе обратного β-распада в сверхновых. Кроме того, электронный захват влияет на состав нейтронных звёзд, где сжатие материи приводит к превращению протонов в нейтроны.
На уровне элементарных частиц электронный захват описывается с точки зрения слабого взаимодействия, при котором участвуют фермионные поля электрона, нейтрино, протона и нейтрона. Оператор взаимодействия соответствует типу V–A (векторно-аксиальный) и действует на спиноры лептонов и нуклонов. Процесс можно представить как обмен виртуальным W⁺-бозоном:
p + e− → n + νe через W+
В некоторых случаях, когда электронный захват происходит с метастабильного состояния, процесс может быть отложен. Также теоретически возможен обратный электронный захват при высоких температурах, когда обратная реакция n + νe → p + e− может иметь значение — в частности, в ранней Вселенной.
Электронный захват выявляется не напрямую, а по вторичным признакам:
В лабораторных условиях применяются детекторы с высоким разрешением (HPGe), рентгеновские спектрометры, а также сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.
Вероятность электронного захвата существенно зависит от атомного номера Z, так как плотность электронов на ядре увеличивается пропорционально Z3. Поэтому тяжёлые ядра склонны к электронному захвату даже при наличии альтернативных каналов.
Это обстоятельство объясняет, почему в области тяжёлых и сверхтяжёлых ядер электронный захват становится доминирующим механизмом распада.
Электронный захват используется для управления искусственной радиоактивностью, в частности при получении стабильных изотопов. Кроме того, он играет ключевую роль в распадах изотопов, лежащих выше линии стабильности (избыточно протонных), снижая зарядовое число и способствуя достижению устойчивого состояния.