Capture d’électrons

Un mode mineur…. concurrent de l’émission de positrons

Emission de positrons versus capture d’électrons
L’émission d’un positron et la capture d’un électron sont des réactions jumelles qui aboutissent toutes deux à la diminution du nombre de protons de 1 (de Z à Z-1) et à la production d’un neutrino.Le positron observé au stade final de la désintégration bêta (en haut) est une nouvelle particule qui a besoin de l’énergie de 0,511 MeV de sa masse au repos pour être créée. Il n’y a pas de tel seuil d’énergie dans le cas de la capture d’un électron (en bas). Dans les deux cas, pratiquement toute l’énergie libérée est portée par les particules légères.
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La capture d’électrons est un mode de désintégration comparativement mineur causé par la force faible. L’exemple le plus connu est celui du potassium 40 : 11% des noyaux de cet isotope du potassium présent dans notre corps se désintègrent par capture électronique.
La capture de l’électron déclenche l’émission d’un neutrino invisible par le noyau.
La capture d’un électron a le même effet sur un noyau que l’émission d’un positron : un de ses protons se transforme en neutron, diminuant la charge électrique globale du noyau de 1 unité. La capture d’électrons, ainsi que la désintégration bêta-positive, est le moyen utilisé par la nature pour garantir qu’aucun noyau ne devienne trop lourd en protons.
La désintégration bêta -minus ordinaire n’a cependant pas de concurrent sur Terre pour réduire un excès de neutrons, car la capture de positrons se produirait dans un monde fait d’antimatière.
L’électron capturé appartient au groupe des électrons en orbite autour du noyau. De telles captures s’avèrent difficiles. La plupart des électrons orbitent autour du noyau à des distances importantes par rapport au noyau. Même les électrons de la couche K les plus internes sont loin du très petit volume du noyau où les forces faibles responsables de la capture opèrent et transforment l’électron en neutrino. Cela explique pourquoi la capture des électrons est difficile et donc rare.

La difficulté de la capture des électrons
Les forces faibles sont à l’origine de l’émission des positons et de la capture des électrons. La capture d’électrons se produit beaucoup moins fréquemment que l’émission d’un positron. Alors que la désintégration bêta peut se produire spontanément lorsqu’elle est énergétiquement autorisée, pour une capture d’électron, les forces faibles exigent que l’électron entre en contact étroit avec un proton du noyau. La probabilité qu’un électron, même appartenant à la couche « K » la plus interne, se retrouve à l’intérieur du noyau est en effet très faible (pour le potassium 40, le volume du noyau est inférieur à un milliardième du volume de la couche K).
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Cependant, la capture d’électrons est plus économe en énergie que l’émission de positrons, son concurrent. La création d’un positron nécessite 511 keV, l’énergie de masse du positron. Si l’énergie libérée lors de la désintégration est inférieure à 511 keV, l’émission d’un positron (désintégration bêta-plus) n’est pas autorisée. En dessous de ce seuil d’énergie, la capture d’électrons devient le seul processus disponible pour réduire un excès de protons.
La capture d’électrons passe souvent inaperçue, car le neutrino qui emporte l’énergie libérée est impossible à détecter. Le noyau en recul bouge également à peine, les quelques microns qu’il recouvre étant trop petits pour être observés.
Ces événements passeraient inaperçus s’il n’y avait pas la restructuration que subissent à la fois le noyau et les enveloppes électroniques. Les électrons sont généralement capturés dans la couche interne de K, laissant derrière eux des  » trous « . Un atome présentant un trou dans sa structure électronique se réarrange, émettant des rayons X dans le processus ou des électrons d’Auger. Une telle capture peut également laisser le noyau dans un état excité, à une énergie plus élevée que son état fondamental, ce qui entraîne l’émission de rayons gamma de désexcitation.
Par conséquent, la capture d’électrons mode de désintégration particulier est très difficile à détecter. Ce mode de désintégration particulier n’a été découvert qu’en 1937 par le physicien américain Luis Alvarez (1911-1988), une quarantaine d’années après la découverte de la radioactivité bêta-négative et quelques années seulement après l’observation des désintégrations positroniques et bêta-positives.
Luis Alvarez, prix Nobel de physique, a eu une longue et brillante carrière de physicien. Par exemple, loin de la capture d’électrons, il a proposé en 1980 une explication désormais célèbre de l’extinction des dinosaures, suggérant qu’elle avait été causée par un astéroïde entrant en collision avec la Terre il y a quelque 160 millions d’années.
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