计算一瓶500g氯化钾的正电子发射强度
FAEA2024/03/18原创 核技术与核仪器 IP:广东

钾-40应该算是日常生活中最常见的放射性核素了,所有天然含钾物都含有钾-40(最典型的就是香蕉了,吃一根普通大小的香蕉,从摄入到6倍生物半衰期,人总共会受到约0.1uSv的辐射),同时钾-40也是极少见的天然β+衰败的放射性核素。最近闲来无事,就计算一下一瓶500g氯化钾每秒到底产生多少正电子。

那么为什么氯化钾可以产生正电子呢?首先,氯化钾含钾,而钾有一种天然放射性同位素:钾-40(40K)。而钾-40会衰变,同时放出辐射。钾-40有两种衰变方式:1.β-衰变2.β+衰变。而β+衰变,产生的就是正电子(β+粒子)。但是这不是钾-40产生正电子的唯一方式。总所周知,高能的伽马射线(准确来说是能量大于两个电子静止质量,也就是1.02MeV的伽马射线)会发生正-负电子对效应。这是一种很特殊的效应,不同与一般的低能伽马产生的光电效应和康普顿散射,以及瑞利散射,正-负电子对效应是指一束伽马射线入射,与物质作用,伽马射线消失,产生一个负电子和一个正电子(反电子),两个电子以相反方向射出。而钾-40会产生1460keV的伽马射线,足够发生正-负电子对效应,但是因为方式概率太小,而且这不是钾-40直接产生的,因此不作讨论。

正电子的探测与分析。正电子其实非常好分辨,因为总所周知反物质都会与普通物质发生湮灭,并将物质的质量转为能量,以电磁波的方式射出。电磁波的能量取决于物质的质量。而电子的静止质量是511keV(对于微观粒子,还是直接用能量来描述质量比较省心)。因为电子湮灭涉及到两个电子,因此会释放出两束511keV的伽马射线,而这个射线可以非常容易地被伽马能谱仪探测到。

下面是计算环节    

对象:500g的纯氯化钾。氯的相对原子质量约为35.5,钾的相对原子约为39,氯化钾的化学式为KCl。39/35.5约为1.1,因此500g氯化钾含钾约275g。钾-40的丰度约为0.01%,因此500g氯化钾含钾-40约0.0275g。钾-40的比活度约为2.652 E5 (6) Bq/g,因此500g氯化钾的钾-40活度约为7293Bq(还挺高,不算不知道,一算吓一跳)钾-40并不是只发生贝塔+衰变,同时也会发生贝塔-衰变以及EC衰变,直接产生正电子的贝塔+衰变只有0.001%的分支比。 结论:一瓶500g的氯化钾,每秒产生0.073个正电子,也就是平均13.7秒产生1个正电子,或者说0.073Bq。 还是非常小的。

顺便一说,一瓶未经同位素富集的天然氯化钾试剂(500g)是极难测出β+粒子的湮灭伽马峰的,至少一般的核爱好者的仪器无法胜任(应该高纯锗探测器+铅屏蔽能测出来)。

能力有限,可能有计算错误或者表达不当,欢迎纠正。

数据来源:IAEA核素数据库。


来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器严肃内容:专业科普
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RodTech
2个月3天前 IP:美国
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就算能看到 也大概率看到的是在探测器内部发生的pair production峰

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FAEA作者
2个月3天前 IP:广东
930349
引用RodTech发表于1楼的内容
就算能看到 也大概率看到的是在探测器内部发生的pair production峰

正负电子对效应应该也很不明显,反正我的碘化钠能谱仪积累了一天都没测出来什么东西

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2023/08/12注册,2天9时前活动

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