Электронный захват

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 ядер с избытком протонов. 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). Известным и самым часто приводимым примером электронного захвата является превращение калия-40 в аргон с вероятностью этого канала распада около 10 %.

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

Общая схема электронного захвата:

${\mathrm{p}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{n}+{\nu }_e.$

Некоторые примеры электронного захвата:

${}_{\mathrm{1}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{6}}\mathrm{A}\mathrm{l}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{1}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{6}}\mathrm{M}\mathrm{g}+{\nu }_e,$

${}_{\mathrm{2}\mathrm{8}}^{\mathrm{5}\mathrm{9}}\mathrm{N}\mathrm{i}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{2}\mathrm{7}}^{\mathrm{5}\mathrm{9}}\mathrm{C}\mathrm{o}+{\nu }_e.$

Процессы в электронной оболочке

Перегруппировка электронных оболочек атома после электронного захвата. В этом процессе перегруппировки испускается рентгеновские фотоны или оже-электроны

Электрон захватывается ядром с, как правило, ближайших к последнему электронных оболочек (в порядке K, L, M, N, …), причём при прочих равных условиях максимальна вероятность захвата s-электрона. Кроме того, плотность протонов 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 с одной из внутренних оболочек переходит в возбуждённое состояние, неся вакансию (или, как говорят, «дырку») в этой оболочке. Это возбуждённое состояние имеет избыточную энергию, снятие возбуждения атомной оболочки происходит путём заполнения вакансии электроном 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, атом после выброса оже-электронов образует, как правило, многозарядный положительный ион. Вероятность сохранения атомом нейтральности менее одного процента.

Распределение энергии и импульса между продуктами распада

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 (и направлены в противоположные стороны), однако так как дочернее ядро на много порядков массивнее, чем нейтрино, 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 ядра отдачи — 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 становится непрерывным. 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).

Некоторые примеры распадов с e-захватом

Примеры ядер, испытывающих наряду с e-захватом ${\beta }^{\mathrm{+}}$-распад

${}_{\mathrm{1}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{6}}\mathrm{A}\mathrm{l}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{1}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{6}}\mathrm{M}\mathrm{g}+{\nu }_e$;

${}_{\mathrm{2}\mathrm{8}}^{\mathrm{5}\mathrm{9}}\mathrm{N}\mathrm{i}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{2}\mathrm{7}}^{\mathrm{5}\mathrm{9}}\mathrm{C}\mathrm{o}+{\nu }_e$;

${}_{\mathrm{7}}^{\mathrm{1}\mathrm{3}}\mathrm{N}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{6}}^{\mathrm{1}\mathrm{3}}\mathrm{C}+{\nu }_e$;

${}_{\mathrm{9}}^{\mathrm{1}\mathrm{8}}\mathrm{F}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{8}}^{\mathrm{1}\mathrm{8}}\mathrm{O}+{\nu }_e$;

${}_{\mathrm{4}\mathrm{9}}^{\mathrm{1}\mathrm{1}\mathrm{0}}\mathrm{I}\mathrm{n}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{4}\mathrm{8}}^{\mathrm{1}\mathrm{1}\mathrm{0}}\mathrm{C}\mathrm{d}+{\nu }_e$.

Пример ядра, для которого разрешён только e-захват, в то время как ${\beta }^{+}$-распад запрещён законом сохранения энергии

${}_{\mathrm{8}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{0}\mathrm{5}}\mathrm{P}\mathrm{b}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{8}\mathrm{1}}^{\mathrm{2}\mathrm{0}\mathrm{5}}\mathrm{T}\mathrm{l}+{\nu }_e$.

Пример ядра, распадающегося по трём различным каналам, ${\beta }^{-}$-, ${\beta }^{+}$-распады и e-захват у ядра калия-40

${}_{\mathrm{1}\mathrm{9}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{K}+{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{1}\mathrm{8}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{A}\mathrm{r}+{\nu }_e$ (вероятность 11 %)

${}_{\mathrm{1}\mathrm{9}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{K}\to {}_{\mathrm{2}\mathrm{0}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{C}\mathrm{a}+{\mathrm{e}}^{-}+\overline{{\nu }_e}$ (вероятность 89 %)

${}_{\mathrm{1}\mathrm{9}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{K}\to {}_{\mathrm{1}\mathrm{8}}^{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{A}\mathrm{r}+{\mathrm{e}}^{+}+{\nu }_e$ (вероятность 0,001 %)

Очень редко наблюдается двойной электронный захват (аналог двойного бета-распада), впервые экспериментально обнаруженный в 2019 году:

${}_{\mathrm{5}\mathrm{4}}^{\mathrm{1}\mathrm{2}\mathrm{4}}\mathrm{X}\mathrm{e}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {}_{\mathrm{5}\mathrm{2}}^{\mathrm{1}\mathrm{2}\mathrm{4}}\mathrm{T}\mathrm{e}+2{\nu }_e.$

Влияние электронного 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, сформированные в ходе r-процессов во 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 распространённости химических элементов и их изотопов, 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. Также экспериментально обнаружено, что на вероятность электронного захвата некоторое (очень небольшое) влияние оказывают температура и давление окружающей среды — также посредством изменения электронной плотности в ядре. Измеримое влияние состояния окружающей среды на вероятность распада и, соответственно, на период полураспада отличает электронный захват из других видов радиоактивного распада.

См. также

• Бета-распад
• Эффект Оже
• Позитронный распад

Ссылки

• Electron Capture // Thomas Jefferson National Accelerator
• ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАХВАТ // Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
• 2.2.3 Электронный захват // Бекман