Captura de electrones

La captura electrónica ( captura de electrones K , también llamada captura K , o captura de electrones L , también llamada 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 transforma un protón nuclear en un neutrón y, simultáneamente, provoca la emisión de un neutrino electrónico .

p  + e ⁻   → n + ν    _mi

o cuando se escribe como una ecuación de reacción nuclear , ${\displaystyle {\ce {^{0}_{-1}e + ^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{0}}}}$ν${\displaystyle _{e}}$

Dado que este neutrino emitido contiene toda la energía de desintegración , posee una única energía característica. De manera similar, el momento de la emisión del neutrino provoca que el átomo hijo retroceda con un único momento característico.

El nucleido hijo resultante , si se encuentra en un estado excitado , transita a su estado fundamental . Generalmente, se emite un rayo gamma durante esta transición, pero la desexcitación nuclear también puede ocurrir por conversión interna .

Tras la captura de un electrón interno del átomo, un electrón externo lo reemplaza y se emiten uno o más fotones de rayos X característicos . La captura electrónica también puede dar 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 su búsqueda de un estado electrónico de menor energía.

Tras la captura electrónica, el número atómico disminuye en uno, el número de neutrones aumenta en uno y el número másico permanece constante . La simple captura electrónica por sí sola da como resultado un átomo neutro, ya que la pérdida del electrón en la capa electrónica se compensa con la pérdida de carga nuclear positiva. Sin embargo, la emisión de electrones Auger puede generar un ion atómico positivo.

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

La captura electrónica 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 hijo potencial (el isóbaro con una carga positiva menos ) para que el nucleido se desintegre emitiendo un positrón . La captura electrónica es siempre un modo de desintegración alternativo para isótopos radiactivos que sí tienen energía suficiente para desintegrarse por emisión de positrones . La captura electrónica 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 energético rápido) y un neutrino son emitidos desde un núcleo atómico. La captura electrónica 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 menor a 1,022 MeV , la emisión de positrones está prohibida, ya que no hay suficiente energía de desintegración disponible para permitirla, y por lo tanto, la captura electrónica es el único modo de desintegración. Por ejemplo, el rubidio-83 (37 protones, 46 neutrones) se desintegrará en kriptón-83 (36 protones, 47 neutrones) únicamente por captura electrónica (la diferencia de energía, o energía de desintegración, es de aproximadamente 0,9 MeV).      

La teoría de la captura electrónica 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. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Álvarez continuó estudiando la captura de electrones en galio ( ⁶⁷Ga ) y otros nucleidos. ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]}

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

Los isótopos radiactivos que se desintegran por captura electrónica pura pueden ser inhibidos de la desintegración radiactiva si están completamente ionizados (a veces se usa el término "despojados" para describir dichos iones). Se hipotetiza que tales elementos, si se forman por el proceso r en supernovas en explosión , son eyectados completamente ionizados y, por lo tanto, no sufren desintegración radiactiva siempre que no encuentren electrones en el espacio exterior. Se cree que las anomalías en las distribuciones elementales son en parte resultado de este efecto sobre la captura electrónica. Las desintegraciones inversas también pueden ser inducidas por la ionización completa; por ejemplo, ¹⁶³El Ho se desintegra en ¹⁶³Dy por captura de electrones; sin embargo, un ^{163 completamente ionizado}El Dy se desintegra en un estado ligado de ¹⁶³Ho mediante el proceso de desintegración β ⁻ del estado ligado . ^{[ 8 ]}

Los enlaces químicos también pueden afectar la tasa de captura electrónica en un grado pequeño (en general, menos del 1%) dependiendo de la proximidad de los electrones al núcleo. Por ejemplo, en ⁷ Be, se ha observado una diferencia del 0,9% entre las vidas medias en entornos metálicos y aislantes. ^{[ 9 ]} Este efecto relativamente grande se debe a 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, son mucho más propensos a la captura electrónica que los electrones p o d , que tienen un nodo de probabilidad en el núcleo.

En los elementos centrales de la tabla periódica , los isótopos más ligeros que los isótopos estables del mismo elemento tienden a desintegrarse por captura electrónica, mientras que los isótopos más pesados ​​se desintegran por emisión electrónica . La captura electrónica ocurre con mayor frecuencia en los elementos más pesados ​​con deficiencia de neutrones, donde el cambio de masa es mínimo 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, pero sí ocurre espontáneamente por captura electrónica.

Algunos radionúclidos comunes que se desintegran únicamente por captura electrónica incluyen (a = año):

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

• Límite de Chandrasekhar

• "The LIVEChart of Nuclides" . Sección de Datos Nucleares del OIEA. Viena, Austria: Organismo Internacional de Energía Atómica . Consultado el 16 de agosto de 2020 .con filtro en captura de electrones