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 (${\displaystyle \nu _{e}}$); a livello del nucleo, il processo può quindi essere schematizzato così:^[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 atomo neutro di un elemento E, cioè un nuclide AZE, soggetto a cattura elettronica, la trasformazione può essere schematizzata come segue:^[2]

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

dove e⁻ è l'elettrone, già facente parte dell'atomo, che verrà catturato dal nucleo, mentre AZE⁺ è lo stesso atomo senza quel suo elettrone; allora, questa reazione si può scrivere più semplicemente come:^[2]

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 elettrone periferico in meno), un neutrone in più, e un neutrino emesso.^[3] Normalmente, l'elettrone catturato dal nucleo è uno del primo guscio elettronico (1s, noto anche come livello K, da cui l'altra denominazione di "cattura K"): la probabilità di cattura di un elettrone 1s è diverse volte maggiore che dal 2s; tuttavia, può anche essere catturato un elettrone di un guscio superiore, sebbene più raramente.^[4]

Questo processo è strettamente collegato con il decadimento β⁺, nel senso che nel nucleo avviene ancora la trasformazione di un protone in un neutrone (qui però con espulsione di un positrone), per cui l'elemento che viene prodotto è lo stesso, sebbene nel β⁺ esso venga prodotto come ione negativo; questo fa sì che la cattura elettronica e il decadimento β⁺ siano, a certe condizioni (vide infra), processi in competizione, che possono coesistere per un dato nuclide.

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 (modalità mista). 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]

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 interessato.

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.

Catturando un elettrone, il nucleo dell'atomo viene ad avere un protone in meno (Z  →  Z-1): è cambiata la natura fisica del nucleo e per questo anche la natura chimica dell'atomo. A cattura elettronica appena avvenuta, il nucleo diviene quello dell'elemento precedente nella tavola periodica, ma gli elettroni sono ancora nei livelli energetici dell'atomo iniziale. Tutti i livelli energetici dell'atomo cambiano 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 (conversione interna ed 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]

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 = 862 keV (< 1.022 keV).^[20] Questo valore, per quanto detto, implica che il decadimento β⁺ per questo nuclide è impossibile e in effetti non si osserva.^[21]

Un altro esempio è il nuclide 7333As, che decade a 7332Ge (stabile) per sola cattura elettronica, con un'emivita di 80,30 giorni e un'energia rilasciata di 341 keV.^[22] Un esempio di decadimento in modalità mista si ha nel nuclide genitore di 7333As ora visto, cioè il 7334Se; questo decade, nel 35% dei casi, per cattura elettronica rilasciando 2.740 keV e, nel restante 65% dei casi per emissione di positrone rilasciando (2.740-1.022) keV = 1.718 keV; in entrambi i casi viene prodotto il nuclide 7333As, ma come atomo neutro nel primo caso e come ione negativo nel secondo; l'emivita complessiva è di 7,15 ore.^[23]

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

• Decadimento beta
• Doppio decadimento beta
• Doppia cattura elettronica
• Reazione nucleare
• Nuclide
• Elettrone
• Neutrino elettronico

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