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 de radionúclido se convierte en un neutrón mientras se libera un positrón y un neutrino electrónico ( ν e ). [1] La emisión de positrones está mediada por la fuerza débil . El positrón es un tipo de partícula beta (β + ), la otra partícula beta es el electrón (β− ) emitido a partir de la desintegración β− de un núcleo.
Se muestra un ejemplo de emisión de positrones (desintegración β + ) con magnesio-23 desintegrándose en sodio-23 :
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 radionucleidos 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 ocurre en la naturaleza en muy raras ocasiones en la Tierra. Entre los casos conocidos se encuentran las interacciones de rayos cósmicos y la desintegración de ciertos isótopos , como el potasio-40 . Esta rara forma de potasio representa solo el 0,012 % del elemento en la Tierra y tiene una probabilidad de 1 en 100 000 de desintegrarse mediante emisión de positrones.
La emisión de positrones no debe confundirse con la emisión de electrones o desintegración beta menos (decaimiento 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 unidos 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 polonio ) para provocar la reacción nuclear.4
2Él
+ 27
13Alabama
→30
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+ 1
0norte
, y observó que el isótopo del producto30
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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 al fenómeno "radiactividad artificial", porque30
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es un nucleido de vida corta que no existe en la naturaleza. El descubrimiento de la radiactividad artificial sería citado cuando el matrimonio ganó el Premio Nobel.
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, [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, emitiendo un positrón y un neutrino :
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 los quarks down , con una carga de − 1 ⁄3 . Los quarks se organizan en grupos de tres de tal manera 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 de sabor de down a up , lo que resulta en la emisión de electrones . La emisión de positrones ocurre cuando un quark up se transforma en un quark down , convirtiendo efectivamente un protón en un neutrón. [5]
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 2 m e c 2 =1,022 MeV , ya que el estado final tiene un electrón eliminado en lugar de un positrón añadido. 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 inferior a 2 m e c 2 , entonces la emisión de positrones no puede ocurrir y la captura de electrones es el único modo de desintegración. Ciertos isótopos que de otro modo capturan electrones (por ejemplo,7Ser) son estables en los rayos cósmicos galácticos , porque los electrones son eliminados 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 , 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 de electrones (2 m e c 2 = 1,022 MeV). [6]
Los isótopos cuya masa aumenta con la conversión de un protón en un neutrón, o cuya masa disminuye en menos de 2 m e , no pueden decaer espontáneamente por emisión de positrones. [6]
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 de0,96 MeV se aplica únicamente a la desintegración del carbono-11 .
Los isótopos emisores de positrones de vida corta 11 C (T 1 ⁄ 2 =20,4 min ), 13 N (T 1 ⁄ 2 =10 min ), 15 O (T 1 ⁄ 2 =2 min ) y 18 F (T 1 ⁄ 2 =110 min ) utilizados para la tomografía por emisión de positrones se producen típicamente mediante la irradiación de protones de objetivos naturales o enriquecidos. [7] [8]
