Cattura elettronica

La cattura elettronica (ε, o EC) è un processo di trasformazione nucleare (reazione nucleare) in cui è implicata l'interazione nucleare debole, come avviene anche, in generale, per i decadimenti beta (β^– e β⁺). Tale trasformazione nucleare può avvenire per isotopi di un elemento con neutroni in difetto rispetto a quelli presenti in un isotopo stabile dell'elemento. Consiste nella cattura di un elettrone (${\displaystyle e^{-}$) da parte del nucleo, in seguito alla quale un protone (${\displaystyle p^{+}$) viene mutato in neutrone (${\displaystyle n}$) e simultaneamente viene espulso un neutrino elettronico (${\displaystyle \nu _{e}$):^[1]

${\displaystyle p^{+}+e^{-}\to n+\nu _{e}$

La conservazione della carica elettrica è evidentemente soddisfatta, si conservano pure il numero barionico (scompare un protone e compare un neutrone) e il numero leptonico (scompare un elettrone e compare un neutrino). L'elettrone catturato può essere in teoria uno qualsiasi ma normalmente è un elettrone già presente nell'atomo stesso. Per un generico nuclide AZE (atomo neutro) di un elemento soggetto a cattura elettronica, la trasformazione può essere schematizzata come segue:

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

dove e⁻ è l'elettrone dell'atomo che verrà catturato dal nucleo e AZE⁺ è lo stesso atomo senza quel suo elettrone, per cui questa reazione si può scrivere più semplicemente come:

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

Partendo da un atomo neutro i prodotti sono un atomo ancora neutro che ha nel nucleo un protone in meno e un neutrone in più, e un neutrino.^[2] Normalmente l'elettrone catturato dal nucleo è uno del primo guscio elettronico (noto anche come livello K, da cui l'altra denominazione di "cattura K"), ma può anche essere catturato un elettrone di un guscio superiore, sebbene più raramente. Questo processo è strettamente collegato con il decadimento β⁺, nel senso che nel nucleo avviene ancora la trasformazione di un protone in un neutrone con espulsione di un positrone, per cui l'elemento che viene prodotto è lo stesso; questo fa sì che la cattura elettronica e il decadimento β⁺ siano, a certe condizioni, processi in competizione che possono coesistere per un dato nuclide.

Proprietà e confronti

Se infatti la differenza di energia tra l'atomo iniziale e quello finale, cioè il Q di reazione,^[3][4] è maggiore di 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.^[5]

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.^[5][6]

La cattura elettronica non è propriamente un decadimento radioattivo. 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 ad esso e procede allo stesso ritmo, e inoltre tale ritmo risulta praticamente insensibile alle condizioni esterne di pressione, temperatura e ambiente chimico in cui viene a trovarsi. 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 decade nel modo già visto ed accade, invece, che se l'elettrone non ci fosse, come in un atomo completamente ionizzato, la cattura elettronica non potrebbe avvenire in tale stato.^[7] L'emivita di questo processo che coinvolge nucleo ed elettroni intorno ad esso e viene quindi a dipendere, seppur molto lievemente, dalla densità elettronica in prossimità del nucleo, la quale influenza la probabilità di cattura dell'elettrone.^[8][9][10] Quindi, l'emivita di un dato atomo viene influenzata in definitiva dal suo stato chimico: dalla carica, 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.^{[11][12][13][14]}

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).^[15] Questo valore, per quanto detto, implica che il decadimento β⁺ per questo nuclide è impossibile e in effetti non si osserva.^[16]

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 + ${\displaystyle \nu _{e}$

L'importanza del neutrino

L'esistenza del neutrino in questo processo ha risolto il problema delle leggi di conservazione. L'esistenza di questa particella fu ipotizzata da Pauli nel 1931 il quale pensò che questa particella di difficile rivelazione avrebbe potuto portare con sé il momento angolare, la quantità di moto e l'energia che mancavano nella semplice somma fatta sugli elettroni prodotti da questo processo.

Note

Collegamenti esterni

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