Cattura elettronica

Se infatti la differenza di energia tra l'atomo iniziale e quello finale, cioè il Q di reazione,^[5][6] è maggiore di 2m_ec² (= 1,022 MeV), i due processi (ε e β⁺) sono entrambi permessi e avvengono entrambi. In questi casi all'interno della popolazione isotopica del campione entrambi i modi di decadimento avvengono insieme, seppure con percentuali diverse; quando Q >> 1,022 MeV può accadere che la cattura elettronica avviene comunque ma di solito in percentuale molto bassa, tale da poter essere difficilmente rivelata. Se invece quella differenza è minore di 1,022 MeV, cioè dell'equivalente in energia di due masse elettroniche, il modo β⁺ è energeticamente proibito e la cattura elettronica rimane l'unico processo possibile.^[7]

L'energia di decadimento (Q) consiste in energia cinetica dei prodotti, che però qui sono due soli (atomo figlio e neutrino), e non tre come nei decadimenti β^– e β⁺. Dato che la massa di un qualsiasi atomo è enormemente maggiore di quella del neutrino, la quantità di moto si ripartisce tra i due ma tocca praticamente tutta al neutrino e quindi praticamente anche tutta l'energia cinetica. Ne consegue che nella cattura elettronica il neutrino prodotto è monoenergetico.^[7][8]

Differenze con il decadimento nucleare

La cattura elettronica non è propriamente un decadimento nucleare. Ogni decadimento nucleare è un processo che interessa solo il nucleo di un atomo, è un processo che si svolge tutto al suo interno e che quindi avviene indipendentemente dalla presenza o meno di elettroni intorno al nucleo e procede allo stesso ritmo; inoltre, tale ritmo risulta praticamente insensibile alle condizioni esterne di pressione, temperatura e ambiente chimico in cui viene a trovarsi il nucleo.

Il processo di cattura elettronica, invece, è iniziato da un'interazione di un elettrone con un nucleo, il quale nucleo lo cattura con una certa probabilità e quindi decade nel modo già visto. Se l'elettrone non ci fosse, come in un atomo completamente ionizzato, la cattura elettronica non potrebbe avvenire in tale stato.^[9] L'emivita di questo processo, che coinvolge nucleo ed elettroni intorno ad esso, viene quindi a dipendere, seppur molto lievemente, dalla densità elettronica in prossimità del nucleo, la quale influenza la probabilità di cattura dell'elettrone.^[10][11][12] Di conseguenza, l'emivita di un dato atomo viene influenzata in definitiva anche dal suo stato chimico:^[13] dalla carica (se è uno ione), dall'ibridazione, dallo stato di ossidazione, dal numero e dal tipo di atomi ad esso legati e dalla loro elettronegatività, etc., e anche da fattori come P e T.^[14][15][16]

La cattura elettronica, considerata rispetto al solo nucleo di un atomo, è una reazione nucleare (senza la presenza di almeno un elettrone esterno non può avvenire); rispetto invece all'atomo nel suo complesso, la cattura elettronica è un decadimento, dato che nel processo esso si tramuta in un altro atomo senza interventi esterni.

Processi secondari

Catturando un elettrone, il nucleo dell'atomo viene ad avere un protone in meno (Z  →  Z-1) e quindi diviene il nucleo dell'atomo precedente nella tavola periodica. Questo fa sì che tutti i livelli energetici dell'atomo cambino improvvisamente il loro valore: il riassestamento degli elettroni nei nuovi livelli energetici comporta emissione di raziazione X, ma può anche comportare l'espulsione di un elettrone dall'atomo (emissione Auger), cosicché può venire a formarsi anche uno ione positivo dopo la cattura elettronica.^[17][18]

Inoltre, quando un elettrone del primo guscio (1s) viene catturato dal nucleo, viene a crearsi un posto vuoto, una lacuna elettronica in tale guscio, che tende ad essere subito rioccupata da un elettrone che si trovi nel guscio soprastante (livello energetico superiore); questo elettrone, cadendo a un livello energetico inferiore, emette energia, di norma un fotone di radiazione X; ma così facendo anche in quel livello si crea una lacuna, che sarà colmata se c'è un elettrone a un livello ancora superiore, con emissione di un altro fotone X (di frequenza diversa), e potenzialmente altri eventi simili.^[19]

Tenendo conto di quanto sopra, la cattura elettronica da parte di un nuclide AZE andrebbe meglio schematizzata nel modo seguente:

AZE   →   AZ-1E* + ${\displaystyle \nu _{e}}$

dove l'asterisco in AZ-1E* denota che il nuclide che si produce viene a trovarsi in uno stato eccitato.^[2]

Esempi

Il primo ben conosciuto esempio di nuclide soggetto a cattura elettronica è il 74Be, il quale decade in 73Li, stabile; l'emivita è di 53,22 giorni e l'energia rilasciata è Q = 0,862 MeV (< 1,022 MeV).^[20] Questo valore, per quanto detto, implica che il decadimento β⁺ per questo nuclide è impossibile e in effetti non si osserva.^[21]

Altri esempi:

• 2613Al  → 2612Mg + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 4120Ca → 4119K + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 4422Ti  → 4421Sc + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 5526Fe → 5525Mn + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 5928Ni  → 5927Co + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 8337Rb → 8336Kr + ${\displaystyle \nu _{e}}$
• 12353I   → 12352Te + ${\displaystyle \nu _{e}}$

• (EN) electron capture, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.