Émission de positron

L'émission de positron ou désintégration β⁺ est un type de désintégration radioactive β dans laquelle un proton est converti en neutron, avec émission d'une particule β⁺ (positron) et d'un neutrino[1]:

p^{+}~\rightarrow ~n+e^{+}+{\nu }_{e}

Différents modes de désintégration radioactive : radioactivités α, β⁻ et β⁺, capture électronique ε, émission de neutron n et émission de proton p.

Mécanisme d'émission

Les protons et neutrons ne sont pas des particules élémentaires, mais sont chacun constitués de trois quarks : un proton est constitué de deux quark up de charge +²/₃ et d'un quark down de charge −¹/₃ (uud), ce qui lui confère une charge +1 ; un neutron est constitué de deux quarks down et un quark up (udd), d'où une charge nulle. Ces quarks sont capables de changer de nature, en particulier de up à down. C'est ce phénomène qui produit une radiation β : en l'occurrence, dans le cas d'une désintégration β⁺, un quark up se change en quark down, changeant un proton en neutron avec émission d'un boson W⁺ :

u~\rightarrow ~d+W^{+}

Cette réaction est immédiatement suivie par la désintégration du boson $W^{+}$ en un positron (ou particule β⁺[2]) et un neutrino :

W^{+}~\rightarrow ~e^{+}+{\nu }_{e}

Compétition avec la capture électronique

Les noyaux se désintégrant par émission de positron peuvent également se désintégrer par capture électronique. Pour des désintégrations à faible énergie, la capture électronique est énergétiquement favorisée de 2m_ec² = 1,022 MeV, car l'état final dans ce cas a un électron de moins plutôt qu'un positron de plus. Plus l'énergie de désintégration est importante, plus la réaction favorisée tend à être l'émission de positron. Cependant, si la différence d'énergie est inférieure à 2m_ec², l'émission de positron est impossible et la capture électronique est le seul mode de désintégration possible. Certains isotopes (par exemple ⁷Be) sont stables dans les Rayonnements cosmiques parce que les électrons y sont séparés et que l'énergie de désintégration est trop petite pour une émission de positron.

Isotopes émetteurs de positron

On peut compter parmi les isotopes émetteurs de positron la plupart des radioisotopes plus légers que les isotopes stables, notamment le carbone 11, le potassium 40, l'azote 13, l'oxygène 15, le fluor 18 ou l'iode 121. L'exemple suivant donne l'équation de désintégration du carbone 11 en bore 11 avec émission d'un positron et d'un neutrino :

¹¹C → ¹¹B + e⁺ + ν_e + 0,96 MeV

Applications

Les isotopes émetteurs de positrons sont utilisés en tomographie par émission de positron (« PET scan »), une technique d'imagerie médicale.

Les isotopes émetteurs de positron à courte durée de vie, ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O et ¹⁸F utilisés en tomographie sont en général produits par irradiation protonique d'une source naturelle ou enrichie[3]^,[4].

Notes et références

(en) The University of North Carolina at Chapel Hill, « Nuclear Chemistry » (consulté le 14 juin 2012)
(en) How it works:Positron emission
Positron Emission Tomography Imaging at the University of British Columbia (accessed 11 May 2012)
K. W. D. Ledingham et al., High power laser production of short-lived isotopes for positron emission tomography, Journal of Physics D: Applied Physics Volume 37 Number 16, 2004, 2341 doi:10.1088/0022-3727/37/16/019

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Voir aussi

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[1] (en) The University of North Carolina at Chapel Hill, « Nuclear Chemistry » (consulté le 14 juin 2012)

[2] (en) How it works:Positron emission

[3] Positron Emission Tomography Imaging at the University of British Columbia (accessed 11 May 2012)

[4] K. W. D. Ledingham et al., High power laser production of short-lived isotopes for positron emission tomography, Journal of Physics D: Applied Physics Volume 37 Number 16, 2004, 2341 doi:10.1088/0022-3727/37/16/019