Un modo minore … in competizione con l’emissione di positroni
L’emissione di un positrone e la cattura di un elettrone sono reazioni gemelle che portano entrambe alla diminuzione del numero di protoni di 1 (da Z a Z-1) e alla produzione di un neutrino.Il positrone osservato nella fase finale del decadimento beta (in alto) è una nuova particella che richiede 0,511 MeV di energia della sua massa a riposo per essere creata. Non c’è una tale soglia di energia nel caso della cattura dell’elettrone (in basso). In entrambi i casi, praticamente tutta l’energia rilasciata è trasportata dalle particelle leggere.
IN2P3La cattura dell’elettrone è una modalità di decadimento relativamente minore causata dalla forza debole. L’esempio più noto è quello del potassio 40 : L’11% dei nuclei di questo isotopo del potassio presente nel nostro corpo decade per cattura elettronica.
La cattura dell’elettrone provoca l’emissione di un neutrino invisibile da parte del nucleo.
La cattura di un elettrone ha su un nucleo lo stesso effetto dell’emissione di un positrone: uno dei suoi protoni si trasforma in un neutrone, diminuendo la carica elettrica globale del nucleo di 1 unità. La cattura dell’elettrone, insieme al decadimento beta-positivo, è il modo in cui la natura garantisce che nessun nucleo diventi troppo pesante in termini di protoni.
Il decadimento ordinario beta-minus non ha però concorrenti sulla Terra per ridurre un eccesso di neutroni, poiché la cattura dei positroni avverrebbe in un mondo fatto di antimateria.
L’elettrone catturato appartiene al gruppo di elettroni che orbitano intorno al nucleo. Tali catture si rivelano difficili. La maggior parte degli elettroni orbitano intorno al nucleo a distanze grandi rispetto al nucleo. Anche gli elettroni più interni dello strato K sono lontani dal piccolissimo volume del nucleo dove operano le forze deboli responsabili della cattura e trasformano l’elettrone in un neutrino. Questo spiega perché la cattura degli elettroni è difficile e quindi rara.
Le forze deboli sono alla base dell’emissione di positroni e della cattura degli elettroni. La cattura degli elettroni si verifica molto meno frequentemente dell’emissione di un positrone. Mentre il decadimento beta può avvenire spontaneamente quando è energeticamente permesso, per la cattura di un elettrone le forze deboli richiedono che l’elettrone entri in stretto contatto con un protone del nucleo. La probabilità che un elettrone, anche uno appartenente al guscio ‘K’ più interno, si trovi all’interno del nucleo è davvero molto bassa (per il potassio 40, il volume del nucleo è meno di un miliardesimo del volume dello strato K).
IN2P3Tuttavia, la cattura di elettroni è più economica in energia dell’emissione di positroni, suo concorrente. La creazione di un positrone richiede 511 keV, l’energia di massa del positrone. Se l’energia liberata nel decadimento è inferiore a 511 keV, l’emissione di un positrone (decadimento beta-plus) non è consentita. Al di sotto di questa soglia energetica, la cattura degli elettroni diventa l’unico processo disponibile per ridurre un eccesso di protoni.
La cattura degli elettroni passa spesso inosservata, poiché il neutrino che porta via l’energia liberata è impossibile da rilevare. Anche il nucleo che si riavvolge si muove a malapena, e i pochi micron che copre sono troppo piccoli per essere osservati.
Questi eventi passerebbero inosservati se non fosse per la ristrutturazione che subiscono sia il nucleo che i gusci degli elettroni. Gli elettroni sono di solito catturati dallo strato K interno, lasciando dei “buchi” dietro di loro. Un atomo con un buco nella sua struttura elettronica si riorganizza, emettendo raggi X nel processo o elettroni di Auger. Tale cattura può anche lasciare il nucleo in uno stato eccitato, ad un’energia più alta del suo stato di terra, causando il rilascio di raggi gamma di deseccitazione.
Come risultato, la cattura degli elettroni particolare modalità di decadimento è molto difficile da rilevare. Questo particolare modo di decadimento fu scoperto solo nel 1937 dal fisico americano Luis Alvarez (1911-1988), una quarantina di anni dopo la scoperta della radioattività beta-negativa e solo pochi anni dopo l’osservazione dei decadimenti positronici e beta-positivi.
Luis Alvarez, premio Nobel per la fisica, ha avuto una lunga e brillante carriera come fisico. Per esempio, lontano dalla cattura degli elettroni, propose nel 1980 una spiegazione ormai famosa dell’estinzione dei dinosauri, suggerendo che fosse stata causata da un asteroide in collisione con la Terra circa 160 milioni di anni fa.
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Radioattività Decadimento Beta (β)
β : forze deboli
Potassio 40
Il neutrino-elettrone