Czy izotop z wyraźną nadwyżką neutronów może ulec rozpadowi beta+?

Pytanie

Pyta Adam

Czy izotop z wyraźną nadwyżką neutronów nad protonami może ulec również (przynajmniej w bardzo małym stopniu) rozpadowi ß+? Np. tal 204 rozpada się emitując elektrony; czy istnieje jakaś mała szansa, że wyemituje choć trochę pozytonów zamiast negatonów? Czy istnieje w ogóle jakieś prawo mówiące, że w takim przypadku na 100% zajdzie rozpad ß-, a nie ma żadnych szans na przemianę innego typu, czy możemy jedynie oszacować prawdopodobieństwo? Czy w przypadku każdego izotopu jest pewna szansa na zajście każdego z rodzajów rozpadu (bez ingerencji z zewnątrz, np. poprzez bombardowanie innymi cząstkami)?

Odpowiedź

Odpowiada Krzysztof Miernik

Izolowane układy fizyczne dążą do najniższego energetycznie stanu i jądra atomowe nie są tu wyjątkiem. Rozpad beta jest jednym z przejawów tej zasady – na skutek oddziaływań słabych proton może ulec przemianie w neutron i vice versa. Ale może się to stać tylko wtedy, gdy jądro po takiej przemianie ma mniejszą całkowitą energię, niż przed. Znając zatem masy jąder (czyli ich całkowite energie) można przewidzieć jakim przemianom mogą one ulegać, a jakim z pewnością nie. Ponieważ przemiany beta, czy to plus czy minus, zachowują liczbę nukleonów w jądrze, to można dla każdej liczby masowej znaleźć takie jądro, które będzie posiadać minimalną masę i które nie będzie ulegać tym przemianom. Jądra te tworzą tzw. ścieżkę stabilności beta. Dla jąder o nieparzystej liczbie masowej zawsze dostaniemy tylko jedno minimum, natomiast jądra o parzystej liczbie masowej, ze względu na siły parowania pomiędzy nukleonami, tworzą dwa minima. Jądro pomiędzy nimi ulega wtedy zarówno rozpadowi beta minus jak i plus (lub częściej podobnej przemianie – wychwytowi elektronu). Takim właśnie jądrem jest wspomniany 204Tl, który w 97% rozpadów ulega przemianie beta minus, a w pozostałej – wychwytowi elektronu. Co ciekawe, jedno z dwóch minimów dla jąder o parzystej liczbie masowej musi być lokalne i te jądra z kolei ulegają, bardzo wprawdzie mało prawdopodobnym, ale jednak obserwowalnym podwójnym rozpadom beta. Warto też dodać, że dokładne obliczenie, jakie jest prawdopodobieństwo którego rozpadu, jeżeli już wiadomo, że może on zajść, jest bardzo trudne i nawet najlepsze obecne modele są dalekie w tej kwestii od doskonałości.