Captura de electrones

Esquema de dos tipos de captura de electrones. Top: El núcleo absorbe un electrón. Baja izquierda: Un electron externo reemplaza el electron "perdido". Se emite una radiografía, igual en energía a la diferencia entre las dos conchas de electrones. Bajo derecho: En el efecto Auger, la energía absorbida cuando el electron externo reemplaza el electron interno se transfiere a un electron externo. El electron exterior es expulsado del átomo, dejando un ion positivo.

Captura de electrones (Captura de electrones K, también Captura de electrones, o Captura de electrones L, La 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 de electrones K o L. Este proceso cambia un protón nuclear a un neutrón y simultáneamente provoca la emisión de un neutrino electrónico.

p + e) →n +.

o cuando se escribe como una ecuación de reacción nuclear, ${displaystyle {cH00} {cH00} {cH00}} {ccH00}} {ccH00}} {ccH00}}} {ccH0}}}} {cH0}}} {c}}}}} {cccH0}}}} {cc}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {ccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccH0}cccccccccH0}}}}}}}}$.${displaystyle _{e}$

Dado que este único neutrino emitido transporta toda la energía de desintegración, tiene esta única energía característica. De manera similar, el impulso de la emisión de neutrinos hace que el átomo hijo retroceda con un único impulso característico.

El núclido hijo resultante, si está en un estado excitado, luego pasa a su estado fundamental. Por lo general, se emite un rayo gamma durante esta transición, pero la desexcitación nuclear también puede tener lugar por conversión interna.

Después de la captura de un electrón interno del átomo, un electrón externo reemplaza al electrón capturado y se emiten uno o más fotones de rayos X característicos en este proceso. La captura de electrones a veces también da como resultado el efecto Auger, donde un electrón es expulsado de la capa de electrones del átomo debido a las interacciones entre los electrones del átomo en el proceso de buscar 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 cambio en el número de masa. La simple captura de electrones por sí sola da como resultado un átomo neutro, ya que la pérdida del electrón en la capa de electrones se equilibra con una pérdida de carga nuclear positiva. Sin embargo, un ion atómico positivo puede resultar 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 principal modo de desintegración de los isótopos con una sobreabundancia relativa de protones en el núcleo, pero con una diferencia de energía insuficiente entre el isótopo y su futuro hijo (la isóbara con una carga positiva menos) para que el nucleido se desintegre emitiendo un positrón. La captura de electrones es siempre un modo de decaimiento alternativo para los isótopos radiactivos que sí tienen suficiente energía para decaer por emisión de positrones. La captura de electrones a veces se incluye como un tipo de desintegración beta, 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 núcleo atómico emite un rayo beta (electrón o positrón energético rápido) y un neutrino. La captura de electrones a veces se denomina decaimiento beta inverso, aunque este término generalmente se refiere a la interacción de un antineutrino electrónico con un protón.

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) decaerá en kriptón-83 (36 protones, 47 neutrones) únicamente por captura de electrones (la diferencia de energía, o energía de decaimiento, 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 Alvarez, en vanadio, 48V, que informó en 1937. Alvarez pasó a estudiar la captura de electrones en galio (< span style="white-space:nowrap;">67Ga) y otros nucleidos.

Detalles de la reacción

Los diagramas Feynman de orden líder para la desintegración de captura de electrones. Un electron interactúa con un quark up en el núcleo a través de un W boson para crear un quark down y neutrino electron. Dos diagramas comprenden el orden principal (segundo), aunque como una partícula virtual, el tipo (y carga) del W-boson es indistinguible.

El electrón que se captura es uno de los propios electrones del átomo, y no un nuevo electrón entrante, como podría sugerirse por la forma en que se escriben las reacciones anteriores. Algunos ejemplos de captura de electrones son:

2613 Al	+ e) →	2612 Mg	+ .
5928 Ni	+ e) →	5927Co	+ .
4019K	+ e) →	4018 Ar	+ .

Los isótopos radiactivos que se desintegran por captura de electrones puros se pueden inhibir de la descomposición radiactiva si están completamente ionizados (a veces se usa "despojado" para describir tales iones). Se plantea la hipótesis de que tales elementos, si se forman por el proceso r en la explosión de supernovas, se expulsan completamente ionizados y, por lo tanto, no sufren una desintegración radiactiva siempre que no encuentren electrones en el espacio exterior. Se cree que las anomalías en las distribuciones elementales son en parte el resultado de este efecto en la captura de electrones. Las desintegraciones inversas también pueden ser inducidas por ionización completa; por ejemplo, 163Ho se descompone en 163Dy por captura de electrones; sin embargo, un ¹⁶³
Dy
se descompone en un límite estado de ¹⁶³
Ho
por el proceso de decaimiento β− de estado ligado.

Los enlaces químicos también pueden afectar la tasa de captura de electrones en un grado pequeño (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 ambientes metálicos y aislantes. 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 los 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 p o d electrones, 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 por captura de electrones, mientras que los isótopos más pesados que los estables se desintegran 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 2m_ec< sup>2 el proceso no puede ocurrir por emisión de positrones, pero ocurre espontáneamente por captura de electrones.

Ejemplos comunes

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

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