पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन

पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन, बीटा प्लस क्षय, या β+ क्षय रेडियोधर्मी क्षय का एक उपप्रकार है जिसे बीटा क्षय कहा जाता है, जिसमें एक रेडियोन्यूक्लाइड नाभिक के अंदर एक प्रोटॉन एक पॉज़िट्रॉन और एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो($ν_{e}$) जारी करते हुए न्यूट्रॉन में परिवर्तित हो जाता है। कमजोर बल द्वारा पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन की मध्यस्थता की जाती है। पॉज़िट्रॉन एक प्रकार का बीटा कण (β+), दूसरा बीटा कण एक नाभिक के β− क्षय से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन (β−) है।

पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन (β+ क्षय) का एक उदाहरण मैग्नीशियम -23 के सोडियम -23 में क्षय के साथ दिखाया गया है:



क्योंकि पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन न्यूट्रॉन संख्या के सापेक्ष प्रोटॉन संख्या घटाता है, पॉज़िट्रॉन क्षय सामान्यतः बड़े प्रोटॉन-समृद्ध रेडियोन्यूक्लाइड्स में होता है। पॉज़िट्रॉन क्षय के परिणामस्वरूप परमाणु संक्रामण होता है, एक रासायनिक तत्व के परमाणु को परमाणु संख्या वाले तत्व के परमाणु में बदल देता है जो एक इकाई से कम होता है।

पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन पृथ्वी पर प्राकृतिक रूप से केवल बहुत कम ही होता है जब एक ब्रह्मांडीय किरण या पोटेशियम -40 के एक लाख क्षय में से एक, एक दुर्लभ आइसोटोप, पृथ्वी पर उस तत्व का 0.012% से प्रेरित होता है।

पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन को इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन या बीटा ऋणात्मक क्षय (β-क्षय) के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जो तब होता है जब एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन में बदल जाता है और नाभिक एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो का उत्सर्जन करता है।

पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन प्रोटॉन क्षय से अलग है, प्रोटॉन के काल्पनिक क्षय आवश्यक नहीं है कि वे न्यूट्रॉन से बंधे हों, और यह भी आवश्यक नहीं है कि पॉज़िट्रॉन के उत्सर्जन के माध्यम से, और परमाणु भौतिकी के भाग के रूप में नहीं, बल्कि कण भौतिकी के रूप में हो।

पॉजिट्रॉन उत्सर्जन की खोज
1934 में फ्रेडरिक जोलियोट-क्यूरी और इरेने जोलियोट-क्यूरी ने परमाणु प्रतिक्रिया को प्रभावित करने के लिए अल्फा कणों ( एक विशेष तत्त्व जिस का प्रभाव रेडियो पर पड़ता है द्वारा उत्सर्जित) के साथ एल्यूमीनियम पर बमबारी की -

+  →  + ,

और देखा कि उत्पाद आइसोटोप पॉज़िट्रॉन का उत्सर्जन करता है जो1932 में कार्ल डेविड एंडरसन द्वारा ब्रह्मांडीय किरणों में पाए गए समान था। यह Beta+क्षय (पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन) का पहला उदाहरण था। क्यूरीज़ ने इस घटना को कृत्रिम रेडियोधर्मिता कहा, क्योंकि  एक अल्पकालिक न्यूक्लाइड है जो प्रकृति में उपस्थित नहीं है। कृत्रिम रेडियोधर्मिता की खोज के बारे में तब बताया जब पति-पत्नी की टीम ने नोबेल पुरस्कार जीता था।

पॉज़िट्रॉन-उत्सर्जक समस्थानिक
समस्थानिक जो इस क्षय से निकलते हैं और इस प्रकार पॉज़िट्रॉन का उत्सर्जन करते हैं, उनमें कार्बन-11, नाइट्रोजन-13 , ऑक्सीजन -15 , फ्लोरीन -18, कॉपर -64, गैलियम -68, ब्रोमीन -78, रुबिडियम -82, येट्रियम -86, ज़िरकोनियम -89, सोडियम-22 , एल्युमिनियम -26 , पोटेशियम-40, स्ट्रोंटियम-83 , और आयोडीन-124 सम्मिलित हैं, लेकिन यह इन्ही तक सीमित नहीं है। एक उदाहरण के रूप में, निम्न समीकरण कार्बन -11 के बीटा प्लस क्षय को बोरॉन -11 में वर्णित करता है, जो एक पॉज़िट्रॉन और एक न्युट्रीनो का उत्सर्जन करता है:
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उत्सर्जन तंत्र
प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अंदर मौलिक कण होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है। दो सबसे सामान्य प्रकार के क्वार्क ऊपर क्वार्क हैं, जिनका आवेश +2⁄3 होता है, और डाउन क्वार्क, जिनका आवेश - 1⁄3 होता है। क्वार्क स्वयं को तीन के सेट में इस प्रकार व्यवस्थित करते हैं कि वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाते हैं। +1 आवेश वाले प्रोटॉन में दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क (2⁄3 + 2⁄3 − 1⁄3 = 1) होते है। बिना किसी आवेश वाले न्यूट्रॉन में एक अप क्वार्क और दो डाउन क्वार्क (2⁄3 − 1⁄3 − 1⁄3 = 0) होते है। कमजोर संपर्क के माध्यम से, क्वार्क फ्लेवर (कण भौतिकी) को नीचे से ऊपर तक बदल सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बीटा कण उत्सर्जन होता है। पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन तब होता है जब एक अप क्वार्क एक डाउन क्वार्क में प्रभावी रूप से एक प्रोटॉन को एक न्यूट्रॉन में परिवर्तित करता है।

नाभिक जो पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन से क्षय होता है, इलेक्ट्रॉन परिग्रह द्वारा भी क्षय हो सकता है। कम-ऊर्जा क्षय के लिए, इलेक्ट्रॉन परिग्रह 2mec2 = $0.96 MeV$ द्वारा ऊर्जावान रूप से इष्ट है, क्योंकि अंतिम अवस्था में एक पॉज़िट्रॉन जोड़े जाने के अतिरिक्त एक इलेक्ट्रॉन निकाल दिया जाता है। जैसे-जैसे क्षय की ऊर्जा बढ़ती जाती है, वैसे-वैसे पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन का शाखाकरण अंश भी बढ़ता जाता है। चूँकि, यदि ऊर्जा अंतर 2mec2 से कम है, तो पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन नहीं हो सकता है और इलेक्ट्रॉन परिग्रह एकमात्र क्षय मोड है। कुछ अन्यथा इलेक्ट्रॉन-प्रग्रहण समस्थानिक (उदाहरण के लिए, 7Beryllium) गांगेय ब्रह्मांडीय किरणों में स्थिर हैं, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को हटा दिया जाता है और पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन के लिए क्षय ऊर्जा बहुत कम होती है।

ऊर्जा संरक्षण
मूल नाभिक से एक पॉज़िट्रॉन निकाला जाता है, और संतति (Z−1) परमाणु को आवेश को संतुलित करने के लिए एक कक्षीय इलेक्ट्रॉन को छोड़ना चाहिए। समग्र परिणाम यह है कि परमाणु से दो इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान निकाला जाता है (एक पॉज़िट्रॉन के लिए और एक इलेक्ट्रॉन के लिए), और β+ क्षय ऊर्जावान रूप से संभव है यदि और केवल यदि मूल परमाणु का द्रव्यमान विघटज परमाणु के द्रव्यमान से कम से कम दो इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान (2me; 1.022 MeV) अधिक होता है।

समस्थानिक जो एक प्रोटॉन के न्यूट्रॉन में रूपांतरण के तहत द्रव्यमान में वृद्धि करते हैं, या जो द्रव्यमान में 2m से कम घटते हैंe, पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन द्वारा अनायास क्षय नहीं हो सकता।

आवेदन
इन आइसोटोप का उपयोग पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी  में किया जाता है, जो मेडिकल इमेजिंग के लिए इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है। उत्सर्जित ऊर्जा उस समस्थानिक पर निर्भर करती है जो क्षय हो रहा है; का आंकड़ा $1.022 MeV$ केवल कार्बन-11 के क्षय पर लागू होता है।

अल्पकालिक पॉज़िट्रॉन उत्सर्जक समस्थानिक 11सी (टी1⁄2 = $0.96 MeV$), 13एन (टी1⁄2 = $20.4 min$), 15ओ (टी1⁄2 = $10 min$), और 18एफ (टी1⁄2 = $2 min$) पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी के लिए उपयोग किया जाता है, आमतौर पर प्राकृतिक या समृद्ध लक्ष्यों के प्रोटॉन विकिरण द्वारा निर्मित होता है।

समस्थानिक जो एक प्रोटॉन के न्यूट्रॉन में रूपांतरण के अनुसार द्रव्यमान में वृद्धि करते हैं, या जो द्रव्यमान में 2me से कम घटते हैं, पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन द्वारा अनायास क्षय नहीं हो सकते हैं।

बाहरी कड़ियाँ

 * [[File:Ndslivechart.png]] Live Chart of Nuclides: nuclear structure and decay data (main decay modes) - IAEA