מאמר מאת סנל ופלזנטון, 'ההשלכות האטומיות והמולקולריות של ריקבון רדיואקטיבי', ( J. Phys. Chem. , 62 (11), עמ '1377 –1382, $ 1958 $ ) תומך בהערתו של בן נוריס.

ברור ... ש $ \ ce {^ {14} CO2} $ נותר כבול בעיקר כ $ \ ce {NO2 +} $ , תוצאה שאולי לא מפתיעה . [זה קורה ב-] $ 81 $ % מהפירעונות. ב $ \ ce {^ {14} CO2 -> NO2 ^ +} $ דיסוציאציה המניבה $ \ ce {NO +} $ , $ \ ce {O +} $ ו- $ \ ce {N +} $ עוקב אחר [ ב-], בהתאמה, $ 8.4 $ , $ 5.9 $ ו- $ 3.6 $ % מהפירוק.

טבלה המסכמת את התוצאות ניתנת.

$$ \ התחל {מערך} {| ג | ג |} \ hline \ mathbf {יון} & \ mathbf {\% \ שפע} \\\ hline \ ce {NO2 +} & 81.4 (16) \\\ ce {NO +} & 8.4 (4) \\\ ce {O +} & 5.9 (6) \\\ ce {N +} & 3.6 (4) \\\ ce {NO2 ^ {2+}} & 0.40 (06) \\\ hline \ end {array} $$

האנטי-נוטרינו אינו רלוונטי לחלוטין. אנרגיית הריקבון מתחלקת בין חלקיק הבטא לנייטרינו. לכן, חלקיקי הבטא מופיעים עם חלוקת אנרגיה הנעה בין אפס לאנרגיית בטא מקסימאלית. אנרגיית הביטא המרבית לריקבון של $ \ ce {^ 14C} $ היא $ E_ \ text {max} = 0.1565 \ \ mathrm {MeV} $; אנרגיית הבטא הממוצעת היא $ E_ \ text {avg} = 0.0495 \ \ mathrm {MeV} $.

אף על פי כן, אפילו בטא לחלקיקים בעלי אנרגיית בטא נמוכה יחסית אנרגיה קינטית גדולה בהרבה מכל אנרגיית ניתוק קשר כימי או אנרגיית יינון. לפיכך, לא ניתן לתפוס את חלקיק הבטא במעטפת האלקטרונים של האטום הפגוע. חלקיק בטא עוזב את האטום במהירות יחסית יחסית לפני ששאר המולקולה מבינה מה השתבש. תהליך זה מהיר מדי לתגובות כימיות מיידיות. גרעין הבת נשאר באותו מבנה כימי. לפיכך, ריקבון הבטא של אטום $ \ ce {^ 14C} $ ב- $ \ ce {CO2} $ פשוט משאיר יון $ \ ce {NO2 +} $ במצב נרגש. מוצר עיקרי זה אינו יציב ויכול להתנתק מעט מאוחר יותר. התוצרים המשניים שנוצרים יכולים להיות רדיקלים או יונים, הנוטים להגיב כמעט עם כל מולקולה או אטום אחרים.

עם זאת, האנרגיה המשתחררת בריקבון בטא אינה מופצת רק בין הנייטרינו לחלקיק הבטא. כמות קטנה מוקצה גם לרתע הגרעין. מכיוון שמסת הגרעין גדולה בהרבה ממסת חלקיק הבטא, אנרגיית הרתיעה קטנה בהרבה מאנרגיית הניוטרינו וחלקיק הבטא ולרוב ניתן להזניח אותה בקירוב ראשון.

עבור ריקבון בטא של $ \ ce {^ 14C} $, ניתן לחשב את אנרגיית הרתיעה המרבית של הגרעין $ \ ce {^ 14N} $ כ- $ E_ \ text {רתיעה, מקסימום = 7.08 \ \ mathrm {eV} $. ערך זה קטן בהרבה מאנרגיית הדעיכה הכוללת של 0.1565 $ \ \ mathrm {MeV} $ ולכן ניתן להזניח אותו, אך הוא גדול יותר מהאנרגיה של קשר כימי. לשם השוואה, אנרגיית ניתוק האג"ח ב- $ \ ce {NO2} $ היא רק כ- 306 $ \ \ mathrm {kJ / mol} $ או 3.17 $ \ \ mathrm {eV} $. לכן, רתיעה של גרעין $ \ ce {^ 14N} $ יכולה להספיק כדי לשבור קשר מיד במהלך ריקבון הבטא של $ \ ce {^ 14C} $.

נראה שיש כאן שלושה תהליכים שיש לקחת בחשבון:

1. כאשר האלקטרון בעל האנרגיה הגבוהה, הוא יוצר זרם חשמלי משתנה במהירות, המייצר שדות אלקטרומגנטיים עזים לזמן קצר. זה עשוי לפעול על החלקיקים הטעונים האחרים הקיימים, ואולי ליצור יינון נוסף ו / או לשבור את הקשר הכימי.
2. גרעין החנקן נרתע, ונרתע זה יכול לשבור את הקשר ו / או ליצור יינון נוסף.
3. המטען של הגרעין משתנה, כך שגם אם ההשפעות 1 ו -2 לא היו קיימות, מצב האלקטרונים כבר אינו מצב הקרקע. כעת זהו שילוב לינארי של מצבים שונים של היסוד החדש, מה שאומר שיש סיכוי מסוים לעורר או יינון.

מאמר מאת אוקסיוק וגרסימנקו אומר ההשפעה 2 היא בדרך כלל החשובה.

מתשובת חג המולד ליניארית, אנו יודעים שבמקרה של ריקבון $ \ ce {^ 14C} $, בעל אנרגיה נמוכה באופן יוצא דופן, יש די קטן אך עדיין סבירות ניכרת לשבירת הקשר, וככל הנראה נגרמת על ידי אחד או יותר מהתהליכים הנ"ל.

לגבי תהליך 1, בהחלט לא בטוח להניח שהוא זניח מכיוון שהאלקטרון עוזב את מולקולה כל כך מהר. אם זה היה נכון, חלקיקי בטא לא היו מייצרים יינון כשהם באים מבחוץ ופוגעים באטומים. למרות שזמן הזמן של האלקטרון ליציאה קצר, השדות האלקטרומגנטיים שלו הם אינטנסיביים. אגב, תנועתו של אלקטרון זה אינה מהירה בטירוף בהשוואה למהירויות האלקטרונים האחרים. יש לו מהירות אופיינית בריקבון זה של כ- 0.5c $ $, שניתן להשוות אותו לאומדן של $ Zc / 137 \ כ- 0.04c $ עבור אלקטרון פגז פנימי בפחמן.

כדי לאמוד את התהליך 1, נשתמש בשיעור הממוצע של אובדן אנרגיה לחלקיקי בטא במוצק. עבור $ \ pu {0.1 MeV} $ בטא במוצק עשוי אלמנטים קלים למדי, זה בערך $ (dE / dx) / \ rho \ כ 0.3 $ MeV.m2 / ק"ג. אם לוקחים $ \ rho $ להיות צפיפות המים, ו $ \ Delta x = 0.2 $ nm, אנו מוצאים $ \ Delta E = 0.06 $ eV, שנראה כי כמה סדרי גודל נמוכים מכדי לשבור קשר. עם זאת, אובדן אנרגיה של בטא הוא תהליך שיש בו הרבה וריאציה אקראית ביחס לממוצע, ולכן לא נראה לי בלתי סביר לדמיין שיש משהו כמו סיכוי של 1% שהוא מפקיד 100 פעמים אנרגיה זו אצל ההורה. אטום בדרך החוצה. זה מכניס אותנו למתחם הכדורים הנכון למנגנון זה כדי לתרום משמעותית להסתברות הנצפית של שבירת קשר ב- NO.

אז בואו ניקח בחשבון תהליך 2. בואו $ Q $ תהיה האנרגיה המשתחררת בריקבון ו $ M $ המסה של גרעין החנקן הנרתע. נראה שמסיבות קינמטיות כמעט כל האנרגיה עוברת לאלקטרון ולאנטי-נוטרינו, ולא לגרעין. נניח שאנחנו רוצים למצוא את האנרגיה המרבית של גרעין הרתיעה. זה מושג במקרה בו האלקטרון מקבל כמעט 100% מהאנרגיה, מכיוון שאנרגיה קבועה, חלקיק מסיבי יותר נושא תאוצה רבה יותר. אם האלקטרון והניטרינו היו חולקים את האנרגיה, אז וקטורי המומנטום שלהם יכולים גם להתבטל חלקית, ולהפחית עוד יותר את הרתיעה.

אנרגיית הריקבון של $ \ ce {^ 14C} $ נמוכה באופן יוצא דופן, אך ב רוב בטא מתפוררת הבטא היא הרבה יותר יחסית. בואו נעשה תחילה את המקרה האולטרה-רלטיביסטי, הן משום שהמתמטיקה פשוטה יותר והן משום שהיא מדריך טוב יותר לאינטואיציה שלנו לגבי מה שקורה באופן כללי.

בקירוב שבטא היא אולטרה-רלטיבית, המומנטום שלה (במקרה בו היא נושאת את כל האנרגיה בדוגמה זו) הוא $ p \ בערך Q / c $, ועל ידי שימור המומנטום, זה גם המומנטום של גרעין הרתיעה. מכיוון שהגרעין אינו רלטיביסטי, האנרגיה הקינטית שלו היא $ K = p ^ 2 / 2M \ כ- Q ^ 2 / 2Mc ^ 2 $.

כדוגמה טיפוסית, ניקח $ \ ce {^ 40K} $, שהוא המקור החזק ביותר לרדיואקטיביות בטא המופיעה באופן טבעי בסביבתנו. יש לה סיכוי של 89% להתפורר ל- $ \ ce {^ 40Ca} $ בתוספת אלקטרון ואנטי-נוטרינו. האנרגיה למצב ריקבון זה היא $ \ pu {1.33 MeV} $, שהוא כמעט פי $ 10 $ מזה של $ \ ce {^ 14C} $. הקירוב האולטרה-רלטיביסטי לאלקטרון אינו מגוחך מדי; במקרה בו הוא מקבל כמעט את כל האנרגיה (ללא הניוטרינו), מהירותו היא כ- $ 0.96c $. האנרגיה הקינטית המקסימלית של גרעין הסידן הנרתע בקירוב זה היא כ $ \ pu {24 eV} $, שברור שהוא הרבה אנרגיה לשבירת קשר כימי.

ללא הקירוב האולטרה-רלטיביסטי, המומנטום של בטא, במקרה של רתיעה מרבית, אינה $ Q / c $ אלא $ \ sqrt {(x + Q) ^ 2-x ^ 2} / c $, כאשר $ x = mc ^ 2 $, ו- $ m $ הוא מסת האלקטרון. גם במקרה של $ \ ce {^ 40K} $, מתברר כי הקירוב האולטרה-רלטיביסטי אינו כה גדול. אנרגיית הרתיעה המקסימלית בפועל לסידן היא $ \ pu {41.7 eV} $, כך שלמרות שהקירוב נותן את סדר הגודל הנכון, הוא מושבת בכמעט גורם של $ 2 $.

בדוגמה של $ \ ce {^ 14C} $, התוצאה לאנרגיה המרבית של החנקן הנסגר היא $ \ pu {7.0 eV} $, בהתאם לתשובת לונג. זה הרבה אנרגיה כדי לשבור את הקשר. מקרה מעניין נוסף עם אנרגיה נמוכה מאוד הוא $ \ ce {^ 3H} $, בו הרתיעה $ \ ce {^ 3He} $ כוללת אנרגיה מרבית של כ $ \ pu {3 eV} $ בלבד. אנשים השתמשו בזה כדי לנסות ללמוד כימיה של הליום.

אז הטייק-אוויי כאן הוא שכמעט בכל המקרים, ריקבון בטא עשוי מאוד לפרק את המולקולה בה היא מתרחשת.