Captura de electrones
Proceso en el que un nucleido rico en protones absorbe un electrón atómico interno

Esquema de dos tipos de captura de electrones. Arriba : El núcleo absorbe un electrón. Abajo a la izquierda : Un electrón externo reemplaza al electrón "perdido". Se emite un rayo X, con una energía igual a la diferencia entre las dos capas de electrones. Abajo a la derecha : En el efecto Auger, la energía absorbida cuando el electrón externo reemplaza al electrón interno se transfiere a un electrón externo. El electrón externo es expulsado del átomo, dejando un ion positivo.

La captura de electrones ( captura de electrones K , también captura K , o captura de electrones L , captura L ) es un proceso en el que el núcleo rico en protones de un átomo eléctricamente neutro absorbe un electrón atómico interno , generalmente de las capas electrónicas K o L. Este proceso cambia así un protón nuclear en un neutrón y provoca simultáneamente la emisión de un neutrino electrónico .


pag
   +  
mi−
     →    
norte
   +  
no
mi
o cuando se escribe como una ecuación de reacción nuclear , ν mi − 1 0 + pag 1 1 ⟶ norte 0 1 + 0 0 {\displaystyle {\ce {^{0}_{-1}e + ^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{0}}}} mi {\displaystyle _ {e}}

Como este único neutrino emitido lleva toda la energía de desintegración , tiene esta única energía característica. De manera similar, el momento de la emisión del neutrino hace que el átomo hijo retroceda con un único momento característico.

El nucleido resultante , si se encuentra en estado excitado , pasa a su estado fundamental . Normalmente, durante esta transición se emite un rayo gamma , pero también puede producirse una desexcitación nuclear por conversión interna .

Tras la captura de un electrón interno del átomo, un electrón externo reemplaza al electrón capturado y en este proceso se emiten uno o más fotones de rayos X característicos . La captura de electrones a veces también da lugar al efecto Auger , en el que un electrón es expulsado de la capa electrónica del átomo debido a las interacciones entre los electrones del átomo en el proceso de búsqueda de un estado electrónico de menor energía.

Después de la captura de electrones, el número atómico se reduce en uno, el número de neutrones aumenta en uno y no hay cambios en el número másico . La simple captura de electrones por sí sola da como resultado un átomo neutro, ya que la pérdida del electrón en la capa electrónica se equilibra con una pérdida de carga nuclear positiva. Sin embargo, puede resultar un ion atómico positivo a partir de una mayor emisión de electrones Auger.

La captura de electrones es un ejemplo de interacción débil , una de las cuatro fuerzas fundamentales.

La captura de electrones es el modo de desintegración primario para isótopos con una superabundancia relativa de protones en el núcleo , pero con una diferencia de energía insuficiente entre el isótopo y su posible hijo (la isobara con una carga positiva menos ) para que el nucleido se desintegra emitiendo un positrón . La captura de electrones es siempre un modo de desintegración alternativo para isótopos radiactivos que sí tienen suficiente energía para desintegrarse por emisión de positrones . La captura de electrones a veces se incluye como un tipo de desintegración beta , [1] porque el proceso nuclear básico, mediado por la fuerza débil, es el mismo. En física nuclear , la desintegración beta es un tipo de desintegración radiactiva en la que un rayo beta (electrón o positrón de energía rápida) y un neutrino se emiten desde un núcleo atómico. La captura de electrones a veces se denomina desintegración beta inversa , aunque este término generalmente se refiere a la interacción de un antineutrino electrónico con un protón. [2]

Si la diferencia de energía entre el átomo padre y el átomo hijo es inferior a 1,022  MeV , la emisión de positrones está prohibida porque no hay suficiente energía de desintegración disponible para permitirla, y por lo tanto la captura de electrones es el único modo de desintegración. Por ejemplo, el rubidio-83 (37 protones, 46 neutrones) se desintegrará en criptón-83 (36 protones, 47 neutrones) únicamente por captura de electrones (la diferencia de energía, o energía de desintegración, es de aproximadamente 0,9 MeV).

Historia

La teoría de la captura de electrones fue discutida por primera vez por Gian-Carlo Wick en un artículo de 1934, y luego desarrollada por Hideki Yukawa y otros. La captura de electrones K fue observada por primera vez por Luis Álvarez , en vanadio .48
V
, que informó en 1937. [3] [4] [5] Álvarez pasó a estudiar la captura de electrones en galio (67
Georgia
) y otros nucleidos. [3] [6] [7]

Detalles de la reacción

Diagramas de Feynman de EC de orden principal
Diagramas de Feynman de primer orden para la desintegración por captura de electrones. Un electrón interactúa con un quark up en el núcleo a través de un bosón W para crear un quark down y un neutrino electrónico . Dos diagramas comprenden el primer orden (segundo), aunque como partícula virtual , el tipo (y la carga) del bosón W es indistinguible.

El electrón capturado es uno de los electrones del propio átomo y no un electrón nuevo que llega, como podría sugerir la forma en que se describen las reacciones a continuación. Algunos ejemplos de captura de electrones son:

26
13Alabama
   		+  
mi−
     →       		26
12Mg
   		+  
no
mi
59
28Ni
   		+  
mi−
     →       		59
27Co
   		+  
no
mi
40
19K
   		+  
mi−
     →       		40
18Arkansas
   		+  
no
mi

Los isótopos radiactivos que se desintegran mediante captura de electrones puros pueden verse inhibidos de la desintegración radiactiva si están completamente ionizados (a veces se utiliza el término "despojados" para describir dichos iones). Se plantea la hipótesis de que dichos elementos, si se forman mediante el proceso r en las supernovas en explosión , son expulsados ​​completamente ionizados y, por lo tanto, no experimentan desintegración radiactiva mientras no encuentren electrones en el espacio exterior. Se cree [ ¿quién lo cree? ] que las anomalías en las distribuciones elementales son en parte resultado de este efecto sobre la captura de electrones. Las desintegraciones inversas también pueden ser inducidas por ionización completa; por ejemplo,163
Hola
se desintegra en163
Por favor
por captura de electrones; sin embargo, un electrón completamente ionizado163
Por favor
se desintegra en un estado ligado de163
Hola
por el proceso de desintegración β − del estado ligado . [8]

Los enlaces químicos también pueden afectar la tasa de captura de electrones en un pequeño grado (en general, menos del 1%) dependiendo de la proximidad de los electrones al núcleo. Por ejemplo, en 7Be , se ha observado una diferencia del 0,9% entre las vidas medias en entornos metálicos y aislantes. [9] Este efecto relativamente grande se debe al hecho de que el berilio es un átomo pequeño que emplea electrones de valencia que están cerca del núcleo, y también en orbitales sin momento angular orbital. Los electrones en orbitales s (independientemente de la capa o el número cuántico primario), tienen un antinodo de probabilidad en el núcleo y, por lo tanto, están mucho más sujetos a la captura de electrones que los electrones p o d , que tienen un nodo de probabilidad en el núcleo.

Alrededor de los elementos en el medio de la tabla periódica , los isótopos que son más ligeros que los isótopos estables del mismo elemento tienden a decaer a través de la captura de electrones, mientras que los isótopos más pesados ​​que los estables se decaen por emisión de electrones . La captura de electrones ocurre con mayor frecuencia en los elementos más pesados ​​deficientes en neutrones donde el cambio de masa es menor y la emisión de positrones no siempre es posible. Cuando la pérdida de masa en una reacción nuclear es mayor que cero pero menor que 2 m e c 2 el proceso no puede ocurrir por emisión de positrones, sino que ocurre espontáneamente por captura de electrones.

Ejemplos comunes

Algunos radionucleidos comunes que se desintegran únicamente por captura de electrones incluyen:

Para obtener una lista completa, consulte la tabla de nucleidos .

Véase también

Referencias

  1. ^ Cottingham, WN; Greenwood, DA (1986). Introducción a la física nuclear. Cambridge University Press . pág. 40. ISBN 978-0-521-31960-7.
  2. ^ "Los experimentos de Reines-Cowan: detección del poltergeist" (PDF) . Laboratorio Nacional de Los Álamos . 25 : 3. 1997.
  3. ^ ab Alvarez, Luis W.; Trower, W. Peter (1987). "Capítulo 3: Captura de electrones K por los núcleos". Descubriendo a Alvarez: trabajos selectos de Luis W. Alvarez, con comentarios de sus estudiantes y colegas . Segré, Emilio (comentario). University of Chicago Press. págs. 11–12. ISBN 978-0-226-81304-2– vía archive.org.
  4. ^ "Luis Álvarez, biografía". Premio Nobel . El Premio Nobel de Física 1968. Consultado el 7 de octubre de 2009 .
  5. ^ Alvarez, Luis W. (1937). "Captura de electrones nucleares K". Physical Review . 52 (2): 134–135. Código Bibliográfico :1937PhRv...52..134A. doi :10.1103/PhysRev.52.134.
  6. ^ Alvarez, Luis W. (1937). "Captura de electrones y conversión interna en galio 67". Physical Review . 53 (7): 606. Bibcode :1938PhRv...53..606A. doi :10.1103/PhysRev.53.606.
  7. ^ Alvarez, Luis W. (1938). "La captura de electrones orbitales por los núcleos". Physical Review . 54 (7): 486–497. Bibcode :1938PhRv...54..486A. doi :10.1103/PhysRev.54.486.
  8. ^ Bosch, Fritz (1995). "Manipulación de los tiempos de vida nucleares en anillos de almacenamiento" (PDF) . Physica Scripta . T59 : 221–229. Bibcode :1995PhST...59..221B. doi :10.1088/0031-8949/1995/t59/030. S2CID  250860726. Archivado desde el original (PDF) el 2013-12-26.
  9. ^ Wang, B.; et al. (2006). "Cambio de la vida media de captura de electrones del 7 Be en entornos metálicos". The European Physical Journal A . 28 (3): 375–377. Bibcode :2006EPJA...28..375W. doi :10.1140/epja/i2006-10068-x. S2CID  121883028.
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