Электронный захват

Электронный захват — один из основных каналов слабого ядерного распада, при котором нестабильное ядро поглощает орбитальный электрон собственной электронной оболочки. В результате протон в ядре превращается в нейтрон с испусканием электронного нейтрино, а заряд ядра уменьшается на единицу при сохранении массового числа.

В основе электронного захвата лежит слабое взаимодействие. Элементарный акт можно записать в виде реакции:

p + e⁻ → n + νₑ

где p — протон, e⁻ — атомный электрон, n — нейтрон, νₑ — электронное нейтрино. Процесс возможен только при наличии электронов, локализованных вблизи ядра, что определяет ключевую роль внутренних электронных оболочек.

Ядерно-энергетические условия

Энергетическое условие электронного захвата определяется разностью масс исходного и конечного атомов:

Q = [M(A,Z) − M(A,Z−1)]c²

Если Q > 0, процесс возможен самопроизвольно. В отличие от β⁺-распада, электронный захват не требует затраты энергии на образование позитрона, поэтому он может происходить даже тогда, когда β⁺-распад энергетически запрещён.

Ключевой момент: электронный захват часто конкурирует с β⁺-распадом и доминирует при малых значениях Q.

Роль электронной оболочки

Наибольший вклад в вероятность захвата дают электроны с ненулевой плотностью вероятности в ядре. Такими являются электроны s-орбиталей.

Основные каналы:

  • K-захват — поглощение электрона с K-оболочки (1s)
  • L-захват — с L-оболочки (2s)
  • реже — захват с M-оболочки и более внешних уровней

Вероятность захвата резко уменьшается с ростом главного квантового числа, поскольку плотность электронной волновой функции в области ядра падает.

Атомные перестройки и вторичное излучение

После захвата электрона во внутренней оболочке образуется вакансия. Атом переходит в возбужденное состояние и релаксирует за счёт электронных переходов.

Сопутствующие процессы:

  • характеристическое рентгеновское излучение, возникающее при переходе электронов с внешних оболочек на внутренние;
  • эффект Оже, при котором энергия электронного перехода передаётся другому электрону, вызывая его выбивание из атома.

Таким образом, хотя сам ядерный акт сопровождается испусканием нейтрино, экспериментально электронный захват регистрируется по рентгеновскому и оже-электронному спектрам.

Спектр и распределение энергии

Электронное нейтрино уносит практически всю энергию распада за вычетом энергии связи захваченного электрона и энергии отдачи ядра. Поскольку нейтрино не регистрируется напрямую, энергетический спектр наблюдаемых частиц является дискретным и определяется разностью энергий электронных уровней.

Отличительная особенность: в отличие от β-распада, непрерывный электронный спектр отсутствует.

Ядерные переходы и правила отбора

Электронный захват подчиняется тем же правилам отбора, что и β-распад, так как оба процесса обусловлены слабым взаимодействием.

Основные типы переходов:

  • разрешённые (Fermi и Gamow–Teller) — с высокой вероятностью;
  • запрещённые — с меньшей вероятностью и большими периодами полураспада.

Изменения квантовых чисел ядра определяются изменением спина и чётности при переходе протона в нейтрон.

Конкуренция с β⁺-распадом

Для многих протон-избыточных ядер возможны два канала распада:

  • электронный захват;
  • β⁺-распад.

Соотношение их вероятностей зависит от:

  • энергетического выхода Q;
  • заряда ядра Z;
  • электронной плотности на внутренних оболочках.

С увеличением Z электронный захват становится более вероятным из-за роста плотности электронов вблизи ядра.

Влияние химического состояния

Вероятность электронного захвата в малой степени зависит от химической формы элемента, так как она влияет на распределение электронов, прежде всего внешних оболочек. Однако для лёгких ядер и при низких энергиях эффект может быть измеримым.

Примеры влияния:

  • изменение периода полураспада при ионизации атома;
  • подавление электронного захвата в полностью ионизованных ядрах, где отсутствуют связанные электроны.

Примеры ядер с электронным захватом

Характерные примеры:

  • ⁷Be → ⁷Li + νₑ — практически чистый электронный захват;
  • ⁵⁵Fe → ⁵⁵Mn + νₑ — используется как источник мягкого рентгеновского излучения;
  • ¹²⁵I → ¹²⁵Te + νₑ — важен в радионуклидной диагностике.

Методы регистрации и применения

Поскольку нейтрино практически не взаимодействует с веществом, экспериментальные методы основаны на регистрации сопутствующего излучения.

Используются:

  • рентгеновские спектрометры;
  • детекторы оже-электронов;
  • калориметрические методы для точного измерения энергии распада.

Электронный захват играет значительную роль в:

  • ядерной астрофизике (эволюция звёзд, коллапс ядер);
  • радиохимии и ядерной медицине;
  • фундаментальных исследованиях слабого взаимодействия и свойств нейтрино.

Значение в ядерной химии

Электронный захват связывает ядерные превращения с электронной структурой атома, демонстрируя неразрывную связь ядерных и химических свойств вещества. Он является наглядным примером того, как электронная оболочка может участвовать в ядерных процессах и влиять на кинетику радиоактивных превращений.

Оглавление