電子捕獲
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電子捕獲（英語：Electron capture）是一個內層軌道上的電子，被原子核內的一個質子捕獲（使一個質子轉變成中子）、並同時發射出一個微中子的衰變過程。由於通常被捕獲的是最接近原子核的K層電子，故亦稱為K層電子捕獲。[1]伴隨電子捕獲發生的過程還包括產生特性輻射（伽瑪射線），使新產生原子核的能階降至基態。釋放出的光子的輻射（伽瑪射線）可能游離軌道上的電子，此電子為歐傑電子。[1]
概述
[編輯]電子捕獲是具有相對多餘質子，但和其即將衰變為少一個正電荷的核種之間的能量差值不足以發生正電子發射的同位素最主要的衰變形式。如果能發生正電子發射，電子捕獲與正電子發射總處於競爭的狀態。正電子發射有時也被叫做反β衰變，雖然這個術語也可以指對微中子的吸收這一類似的過程。
如果發生衰變的母原子和子原子之間的能量差小於1.022兆電子伏特（相當於兩個電子的靜質能），將會沒有足夠的能量允許正電子發射發生，這樣，就只有電子捕獲單獨進行。例如，銣83的原子核（具有37個質子和46個中子）發生電子捕獲將衰變為氪83（具有36個質子和47個中子），並由於能量差為0.9兆電子伏特，除電子捕獲過程，將不會發生正電子發射。
值得注意的是，這個過程並不意味着質子和中子可以正常地互相「轉變」：質子和中子必須是原子核的固定組成部分。特別的，在電子捕獲的過程之中，一個K或L電子層的電子通常遭受原子核內的一個質子的俘獲，形成一個中子和一個微中子，這樣的過程成為K電子捕獲或者L電子捕獲。
由於質子在電子捕獲過程之中「變成」了中子，核種的質子數減少1，中子數增加1，而原子量保持不變。通過改變質子數，電子捕獲可以改變元素的種類。新產生的這個原子，雖然仍然保持電中性，但是由於缺失了一個內層電子，故在能階上處於激發態。在這個原子躍遷到基態的過程之中，會釋放特性輻射（電磁輻射的一種）或產生奧杰效應，也有兩種過程都發生的情況。除此之外，激發態的原子還經常發射出伽瑪射線使自身躍遷到基態。
研究歷史
[編輯]電子捕獲的研究歷史始於20世紀上半葉。1934年，意大利物理學家吉安·卡羅·威克在其1934年發表的論文中首次討論了電子捕獲。之後，相關研究又被日本物理學家、1949年諾貝爾物理學獎獲得者湯川秀樹進一步發展。其後，西班牙裔美國物理學家、1968年諾貝爾物理學獎獲得者路易斯·阿爾瓦雷茨又在釩-48中發現了K電子捕獲。他於1937年《物理評論》（Physical Review）雜誌上發表了相關研究論文，報告了他的發現。[2][3][4]阿爾瓦雷茨後來繼續研究了鎵-67和其他幾種核種中的電子捕獲現象。[2][5][6]
核反應的細節
[編輯]以下是幾個電子捕獲的核反應方程式：
如上式所描述，在電子捕獲中，原子核俘獲的是自身的一個軌道電子，而非其他外來原子所提供的電子。在理論上，完全通過電子捕獲衰變的放射性同位素，如果預先使原子電離，就可以避免發生電子捕獲。有一個假說表明，在超新星爆炸中的R-過程中形成的這類元素，如果它們沒有在外層空間遭遇電子，它就會完全被電離而不會進行放射性衰變。電子捕獲效應被認為是超新星上元素反常分佈的部分原因。
另外，化學鍵也微弱地影響電子捕獲的速率（一般地來說小於1%）。例如，對於鈹7來說，處於金屬狀態和絕緣環境中，可以觀察到兩種情況中鈹的半衰期有0.9%的差異。[7]這個相對其他一些元素較大的差異主要是因為鈹的價電子更靠近原子核。
元素週期表中央附近，比相同元素的穩定同位素更輕的同位素傾向於通過電子捕獲衰變，而比相同元素的穩定同位素更重的同位素則傾向於發生正電子發射（或稱反β衰變）。
常見的粒子
[編輯]一些發生電子捕獲的常見放射性同位素包括：
| 放射性同位素 | 半衰期 |
|---|---|
| 7Be | 53.28 d |
| 37Ar | 35.0 d |
| 41Ca | 1.03E5 a |
| 44Ti | 52 a |
| 49V | 337 d |
| 51Cr | 27.7 d |
| 53Mn | 3.7E6 a |
| 57Co | 271.8 d |
| 56Ni | 6.10 d |
| 67Ga | 3.260 d |
| 68Ge | 270.8 d |
| 72Se | 8.5 d |
參考文獻
[編輯]- ^ 1.0 1.1 葉錫溶 蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））.
- ^ 2.0 2.1 pp. 11–12, K-Electron Capture by Nuclei, Emilio Segré, chapter 3 in Discovering Alvarez: selected works of Luis W. Alvarez, with commentary by his students and colleagues, Luis W. Alvarez and W. Peter Trower, University of Chicago Press, 1987, ISBN 0-226-81304-5.
- ^ Luis Alvarez, The Nobel Prize in Physics 1968 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, biography, nobelprize.org. Accessed on line October 7, 2009.
- ^ Nuclear K Electron Capture, Luis W. Alvarez, Physical Review 52 (1937), pp. 134–135, doi:10.1103/PhysRev.52.134 .
- ^ Electron Capture and Internal Conversion in Gallium 67, Luis W. Alvarez, Physical Review 53 (1937), p. 606, doi:10.1103/PhysRev.53.606.
- ^ The Capture of Orbital Electrons by Nuclei, Luis W. Alvarez, Physical Review 54 (October 1, 1938), pp. 486–497, doi:10.1103/PhysRev.54.486.
- ^ B.Wang et al., Euro. Phys. J. A 28, 375-377 (2006) Change of the 7Be electron capture half-life in metallic environments[永久失效連結]
外部連結
[編輯]- （英文）The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on electron capture, in Java or HTML（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
