Электронный захват и двойной электронный захват
Электронным захватом ($e$ - захватом) называют превращение ядра атома, в котором ядро поглощает один (или два) электрона из электронной оболочки, при этом зарядовое число уменьшается на единицу (на два).
Электронные захваты относят к $\beta$ - распадам.
Протон превращается в нейтрон, как бы «захватывая электрон». В случае электронного захвата (одинарного) трансформация протона в нейтрон происходит в соответствии со схемой:
$ {}_1^1 p+ {}_{-1}^0 e \rightarrow {}_0^1 n {}+_0^0 \nu (1). $
Двойной электронный захват - это один из вариантов двойного $\beta$ - распада. В двойном электронном захвате заряд ядра уменьшается на два.
Двойной электронный захват отличается тем, что:
- происходит захват двух орбитальных электронов ядром
- при этом происходит излучение двух нейтрино.
Такой захват называют двухнейтринным распадом. При прохождении распада в основное состояние получающегося ядра, выделяющаяся энергия практически полностью будет унесена нейтрино, за вычетом энергии, которая идет на организацию вакантного места в электронной оболочке.
Чаще всего электроны поглощаются из $K$ - слоя атома, так как данный слой расположен ближе всего к ядру. Электроны могут поглощаться и из других слоев $L-$ или $M$-, но с меньшей вероятностью.
Электронный захват особенно значим для тяжелых ядер, поскольку в этих атомах $K$ - слой имеет близкое расположение к ядру. Говорят, что в этом случае электрон $K$ - слоя обладает конечной вероятностью находиться внутри ядра.
Электронные захваты всегда сопровождает рентгеновское излучение.
Предположим, что электрон захвачен из $K$ - слоя, тогда на его место в этом слое перейдет электрон из $L$ - слоя. На вакантное место электрона в $L$ - слое придет электрон из $M$ - слоя и так далее. Результатом данного захвата становится возбуждение всего спектра характеристического рентгеновского излучения атома. Именно наблюдение данного спонтанного характеристического излучения позволили открыть электронный захват.
Существует предположение, что существуют безнейтринные двойные электронные захваты. Они нарушают так называемую Стандартную модель. Эти захваты должны изменять лептонное число на две единицы. В таком захвате основную часть энергии должен уносить гамма квант при внутреннем тормозном излучении или электрон внутренней конверсии.
Если ядро переходит на уровень возбуждения, должна возникать система гамма - квантов (или конверсионных электронов), сопровождающая возвращение ядра в невозбужденное (основное) состояние.
Условие энергетической возможности электронного захвата
В случае $e$ - захвата в начальном состоянии мы имеем ядро $(Z,A)$ и электрон, после захвата получим ядро $(Z-1,A) без электрона. Запишем энергетическое условие электронного захвата:(Z-1,A) без электрона. Запишем энергетическое условие электронного захвата:
$M(Z,A)+m_e$ > $M(Z-1,A) (2).$
Добавим к обеим частям неравенства (2) $Zm_e$, имеем:
$M_{at}(Z,A) $ > $M_{at}(Z-1),A (3).$
В результате $e$ - захвата появляется только атом $(Z-1, A),$ который можно наблюдать.
Для двойного электронного захвата исходное ядро остается прежним, дочернее ядро $(Z-2,A)$ без двух электронов. Условие выполнения захвата можно записать как:
$M_{at}(Z,A) $ > $M_{at}(Z-2),A (4).$
В данном способе захвата пара электронов орбиты захватываются двумя протонами в ядре, при этом возникает два нейтрона. При захвате нейтроны испускаются.
- Число нейтронов увеличивается на два;
- количество протонов уменьшается на два;
- атомная масса не изменяется.
Чаще всего двойной захват маскируется более вероятными распадами, например, одинарными захватами. Но возможны ситуации, при которых двойной электронный захват является единственным способом распада, например, другие способы распада:
- запрещены;
- сильно подавлены.
Предположительно имеется 35 естественных изотопов, которые могут быть подвергнуты двойному электронному захвату.
Эмпирические исследования двойного электронного захвата
Ученые в теории обосновывали наличие двойного электронного захвата с 1955 года. Данный интерес объяснялся тем, что, например, захват электронов без испускания нейтрино, помогло бы открыть природу самого нейтрино, который является второй по распространенности частицей во Вселенной.
Двойной электронный захват эмпирически мало исследован. Считается, что двойной электронный захват в нейтронном варианте наблюдался, но эксперимент нуждается в подтверждении. Проведение анализа образцов барита, имеющих историю в 170 млн. лет, показало, что распад изотопов бария при двойном электронном захвате имеет период полураспада порядка $10^{21}$ лет.
${}_{106} Cd$ считают одним из самых перспективных элементом, который может получить двойной $e$ - захват.
Сложность в наблюдении двойного $e$ - захвате обусловлена тем, что:
- Вероятность двойного электронного захвата крайне мала.
- В данном процессе наблюдаемыми частицами являются электроны Оже или рентгеновское излучение.
В СМИ появилась информация о том, что проводились эксперименты с ксеноном, которые выявили наличие в нем двойных захватов.
Период полураспада ксенона равен $1,8\bullet 10^{22}$. Вероятность наблюдения ядерного распада увеличивается при росте числа наблюдаемых атомов. Эксперимент, названный $XENON1T$, проводился с 3500 кг жидкого ксенона, размещенного глубоко под землей, что давало возможность избегать радиоактивных помех, способных испортить измерения.
Ксенон охлаждали до $t=-95^0$С.
Эксперименты проводили с ксеноном 124. В его ядре количество протонов равно 124, число нейтронов – 124. При общем числе атомов равном $10^{25}$ для того, чтобы распалась половина атомов, требуется порядка 18 секстиллионов лет. Спустя один год произошел распад около ста элементов. В течении двух лет ученые выявили 126 состоявшихся событий двойного электронного захвата с выходом пары нейтрино в жидком ксеноне.
Так, был получен редчайший распад, измеренный прямым методом. Подчеркнем, что в научном сообществе уже имелись данные о других ядерных распадах с еще более длинным периодом.
