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 (${\displaystyle \nu _{e}}$):^[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 nuclide AZE (atomo neutro) di un elemento 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.