fotodesintegración

La fotodesintegración (también llamada fototransmutación o reacción fotonuclear ) es un proceso nuclear en el que un núcleo atómico absorbe un rayo gamma de alta energía , entra en un estado excitado e inmediatamente se desintegra emitiendo una partícula subatómica. Por lo tanto, disminuye el número másico del núcleo afectado. Las reacciones se denominan (γ,n), (γ,p) y (γ,α), respectivamente. ^{[ 1 ]} Generalmente es endotérmica (absorbe energía) si se realiza en elementos más ligeros que el hierro, y exotérmica (libera energía) si se realiza en elementos más pesados ​​que el hierro. En una reacción endotérmica, el núcleo resultante tiene una masa total mayor, según la relación masa-energía , y viceversa en una reacción exotérmica.

En el proceso γ , una forma de nucleosíntesis del proceso p , la fotodesintegración actúa sobre núcleos semilla preexistentes (generalmente más pesados ​​que el hierro) y los convierte en isótopos más ligeros, deficientes en neutrones y ricos en protones, a través de secuencias de reacciones (γ,n), (γ,p) y (γ,α). Estas reacciones desplazan el material hacia isótopos más ligeros, deficientes en neutrones y ricos en protones. Se cree que el proceso γ contribuye a la producción de núcleos p estables , especialmente en supernovas. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

En algunas hipernovas , la fotodesintegración endotérmica puede convertir tanta energía de radiación en energía de masa que provoca el colapso de la estrella.

Un fotón con una energía de 2,22 MeV o superior puede fotodesintegrar un átomo de deuterio :

La fotodesintegración del deuterio libera un protón y un neutrón libre .

James Chadwick y Maurice Goldhaber utilizaron esta reacción para medir la diferencia de masa protón-neutrón. ^{[ 4 ]} Dado que la masa medida de un neutrón (1,0087 Da) era mayor que la masa de un átomo de hidrógeno (1,0078 Da), una masa que disminuiría aún más por la diferencia de energía de los dos estados ligados, este experimento demuestra que un neutrón no es un estado ligado de un protón y un electrón, ^{[ 5 ]} como había propuesto Ernest Rutherford .

Un fotón con una energía de 1,67 MeV o superior puede fotodesintegrar un átomo de berilio-9 (100 % de berilio natural, su único isótopo estable):

El antimonio-124 se combina con berilio para fabricar fuentes de neutrones de laboratorio y fuentes de neutrones de arranque . El antimonio-124 (vida media de 60,20 días) emite  rayos β− y rayos gamma de 1,690 MeV (también 0,602  MeV y 9 emisiones más débiles de 0,645 a 2,090  MeV), produciendo telurio-124 estable. Los rayos gamma del antimonio-124 dividen el berilio-9 en dos partículas alfa y un neutrón con una energía cinética promedio de 24  keV (un neutrón intermedio en términos de energía): ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Otros isótopos tienen umbrales más altos para la producción de fotoneutrones, tan altos como 18,72  MeV, para el carbono-12 . ^{[ 8 ]}

En las explosiones de estrellas muy grandes (250 o más masas solares ), la fotodesintegración es un factor importante en el evento de supernova . A medida que la estrella se acerca al final de su vida, alcanza temperaturas y presiones donde los efectos de absorción de energía de la fotodesintegración reducen temporalmente la presión y la temperatura dentro de su núcleo. Esto provoca que el núcleo comience a colapsar a medida que la energía es absorbida por la fotodesintegración, y el núcleo colapsado conduce a la formación de un agujero negro . Una porción de masa escapa en forma de chorros relativistas , que podrían haber "dispersado" los primeros metales en el universo. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los relámpagos terrestres producen electrones de alta velocidad que generan ráfagas de rayos gamma, conocidas como bremsstrahlung . La energía de estos rayos a veces es suficiente para iniciar reacciones fotonucleares que producen neutrones. Una de estas reacciones, ¹⁴ ₇ N (γ,n) ¹³ ₇ N , es el único proceso natural, aparte de los inducidos por rayos cósmicos, en el que se produce ¹³ ₇ N en la Tierra. Los isótopos inestables que quedan de la reacción pueden emitir posteriormente positrones por desintegración β ⁺ . ^{[ 11 ]}

La fotofisión es un proceso similar pero distinto, en el que un núcleo, tras absorber un rayo gamma, sufre fisión nuclear (se divide en dos fragmentos de masa casi igual).

• supernova de inestabilidad de pares
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