一种常见的现象:正电子湮没
Arutoria 2021-8-24原创 科创茶话核技术与核仪器
关键词
湮灭正电子能谱仪中子活化

正电子是基本粒子之一,带正电荷,质量和电子相等,是电子的反粒子,于1929年被预言存在,于1932年8月2日被正式发现;

当一正电子进入物质后,与其中的电子、原子或离子发生非弹性散射损失能量热化,运行1~3mm的距离,随后与电子碰撞发生湮没,向相反方向发射两个511kev的光子,此过程称为正电子湮没(Positron Annihilation)又称正电子湮灭;

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正电子湮没是一种较为常见的现象,例如在各种正电子发射源中可以使用γ能谱仪探测到正电子湮灭产生的湮灭辐射峰(Annihilation Radiation Peak);

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楼主在之前的文章【基于中子活化的γ能谱分析 - 科创】https://kechuang.org/t/86739 中已经提到过正电子湮灭这一现象并进行了湮灭辐射的探测,考虑到此现象较为常见,只草草几笔带过;但近期“正电子辐射体”、“正电子湮灭”却被人视作发现新大陆一般四处展示,楼主对此表示十分诧异。

测量511kev的湮灭辐射峰确实可以在一定程度上证明正电子的产生,因此我们不妨来进一步完善基于中子活化的湮灭辐射能谱测量;

本次实验以天然铜(69.15%Cu63、30.85%Cu65)作靶,在中子场中辐照6个Cu64的半衰期(约76h),预计照射后活度可达到Cu64饱和活度的90%以上

目标产物核为Cu64,T1/2=12.701hr,β+(19.3%)→Ni64,β-(39.6%)→Zn64,EC(41.1%)→Ni64

目标核反应为Cu63(n,γ)Cu64,σ=4.5b

积分3000s、background subtracted

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从谱图中可以明显的观测到位于511kev处的湮灭辐射峰,来自于Cu64 β+衰变发射的正电子;

反之,511kev的γ射线也可以被放入核素库,成为识别正电子发射核素的依据之一 

例如海关部门常用的手持能谱仪identifinder就在nuclide library中加入了511kev这一项;

20210505_192349.jpg

Screenshot_20210728-224953_WPS Office.jpg

正电子湮没主要应用于医学方面,如正电子断层扫描(PET),PET分子探针与靶分子作用发生湮没现象释放湮灭辐射,通过符合探测器的探测即可显示出活体组织分子图像、功能代谢图像以及基因转变图像。

正电子的发现使人类走出了认识反物质的第一步,为五十年代反质子、反中子的发现以及对反物质的研究与认识做出了一定的铺垫;因此正电子湮没这一现象虽常见,但具有着重要的意义

[修改于 9 个月前 - 2021-08-24 10:58:32]

来自:综合交流区 / 科创茶话物理高能技术 / 核技术与核仪器动手实践:实验报导严肃内容:专业科普
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twz562
9个月8天前
1楼

中子活化这一块还是偏冷门的,最起码也得搞个Am-Be源


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1
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Arutoria作者
9个月8天前
2楼
引用twz562发表于1楼的内容
中子活化这一块还是偏冷门的,最起码也得搞个Am-Be源

层主在回复中做出这样的发言,想必是并未对中子活化进行深入的了解,也如层主所说:体现了中子活化在国内爱好者群体中的冷门性。

倘若层主多去了解一下Jon Rosenstiel和Mark Rowley等人的工作,也不会将目光局限在一些通量未必比IEC高却十分危险且可控性差的同位素放射源上,张口即源,属于是格局小了。

此外层主的发言可能违反了论坛的规定,还望层主详读“关于限制放射性同位素和非同位素核装置的通知”https://kechuang.org/t/86688一文。

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twz562
9个月8天前
3楼
引用Arutoria发表于2楼的内容
层主在回复中做出这样的发言,想必是并未对中子活化进行深入的了解,也如层主所说:体现了中子活化在国内爱...

对于这 二位,完全不认识 sticker

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thallium2012
9个月0天前
4楼

最后一张图 有U238 和U233 的选项 为什么没有235的选项呢

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汉斯喵喵
5个月14天前
5楼

为什么Cu64可以发生β+衰变呢?是因为β衰变释放的电子被一部分其它原子捕获了吗?

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Arutoria作者
5个月14天前
6楼
引用汉斯喵喵发表于5楼的内容
为什么Cu64可以发生β+衰变呢?是因为β衰变释放的电子被一部分其它原子捕获了吗?

事实上,β衰变是一个笼统的概念,它包含β-衰变、β+衰变、(EC)轨道电子俘获三种衰变方式。其中,后二者(β+、EC)一般可以认为是相互竞争的衰变方式,且与第一种衰变方式(β-)互相独立且互不干扰。

对于β放射性核素,相对于β稳定线(β-stability)中子过剩的核素发生β-衰变,相对于β稳定线质子过剩(缺中子)的核素发生β+衰变或电子俘获。

Cu64是为数不多的处于β稳定线附近的β放射性核素,与之相似的还有K40等。因此Cu64既可以通过β+、EC完成衰变,同时也可以通过β-完成衰变,两者分支分别为61.5%和38.5%。

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从衰变实质来看,β-衰变相当于丰中子核素中一个中子转变为一个质子的过程,同时释放电子和反电子中微子。而β+与之相反,相当于一个缺中子核素中一个质子转变为一个中子的过程,同时释放正电子和电子中微子。至于层主所说的电子被其他原子俘获,我认为应当是在描述EC(轨道电子俘获)的本质,其相当于从核外轨道俘获一个电子,将质子转化为中子从而完成衰变,从结果来看是与β+相同的。

那么对于β+和EC的竞争,我们可以从β+衰变发生的条件入手来考虑此问题。根据质量守恒定律,注意到中微子静质量为零,则有:

Qβ+=[M(Z,A)-M(Z-1,A)-2me]c²

使Qβ+>0,所以有M(Z,A)>M(Z-1,A)+2me

即仅当母核质量比子核质量高出两个电子静质量(1.02MeV)时才能发生β+,当母核质量仍高于子核但未能高出2me时,则可通过EC完成衰变。

轨道电子俘获释放的能量:

Q(EC)=[M(Z,A)-M(Z-1,A)]c²-Wi

其中Wi为第i层壳层电子在原子中的结合能

使Q(EC)≥0,则M(Z,A)-M(Z-1,A)≥Wi/c²

因满足M(Z,A)>M(Z-1,A)+2me时,一定满足M(Z,A)-M(Z-1,A)≥Wi/c²,则在β+发生时,会发生EC与之竞争,随着原子序数的增加,EC的占比将会逐渐增大。

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汉斯喵喵
2个月2天前 修改于 2个月2天前
7楼
引用Arutoria发表于6楼的内容
事实上,β衰变是一个笼统的概念,它包含β-衰变、β+衰变、(EC)轨道电子俘获三种衰变方式。其中,后...

本小白继续追问两个问题。

  1. 根据衰变现象的产物和原子变化来推测β+衰变的性质,从而划分出稳定线,和β+以及EC的占比,这是唯象层面的归纳;那么我还查到了,对这种现象本质性的解释,认为是质子的上夸克衰变成了下夸克,同时释放出W+玻色子,并衰变为正电子和负电中微子,这种本质应该才是“正宗的”β+衰变。那么我们有没有通过上夸克衰变和轨道俘获这两个本质性的性质,完全通过计算的方式来推导出稳定线位置以及两者竞争的占比的方法呢?

  2. 为什么对Cu63和Cu65的持续辐照,可以产出Cu64呢?这其中应该也发生了一些原子核内的核反应吧。

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Arutoria作者
2个月2天前
8楼
引用汉斯喵喵发表于7楼的内容
本小白继续追问两个问题。根据衰变现象的产物和原子变化来推测β+衰变的性质,从而划分出稳定线,和β+以...
  1. 计算β稳定线有经验公式,不需要考虑那么复杂Z=A/(1.98+0.0155A∧2/3)

  2. 为什么用中子辐照铜靶会产生64Cu,楼主在文章中已经解释清楚了,请仔细阅读

以下引用原文:

“本次实验以天然铜(69.15%Cu63、30.85%Cu65)作靶,在中子场中辐照6个Cu64的半衰期(约76h),预计照射后活度可达到Cu64饱和活度的90%以上

目标产物核为Cu64,T1/2=12.701hr,β+(19.3%)→Ni64,β-(39.6%)→Zn64,EC(41.1%)→Ni64

目标核反应为Cu63(n,γ)Cu64,σ=4.5b”
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