vignette|Différents modes de désintégration radioactive : radioactivités α, β et β, capture électronique ε, émission de neutron n et .
La capture électronique (plus précisément capture électronique orbitale, section « Notations »), ou désintégration ε, ou parfois désintégration bêta inverse, est un processus de physique nucléaire au cours duquel un noyau atomique déficient en neutrons absorbe un électron situé sur une couche électronique de l’atome. Variante de la désintégration β, sa description théorique est formulée par la théorie publiée par Enrico Fermi en 1933. La conséquence de la capture, selon la loi de conservation de la charge électrique, est qu’il y a une transmutation de l’atome puisqu’un proton, en absorbant l’électron intrus devient un neutron, et émission d’un neutrino électronique pour conserver le nombre leptonique ; l’atome qui avait Z protons et N neutrons devient un atome avec (Z-1) protons et (N+1) neutrons : + ⟶ + , où X et Y désignent respectivement le noyau père et le noyau fils. A est le nombre de masse.
Ce processus nucléaire est suivi de plusieurs émissions de photons pour que l’atome atteigne son état fondamental. D’une part, le noyau nouvellement formé peut se désexciter en émettant des photons γ s’il avait été formé dans un état excité. D’autre part, le cortège électronique se réorganise afin de combler la lacune laissée dans les couches internes par l’électron capturé. Cette réorganisation est accompagnée d’émissions de rayons X et/ou d’électrons Auger.
Historique vignette|gauche|Gian-Carlo Wick a été le premier à théoriser l’existence de la décroissance par capture électronique. vignette|Luis Alvarez fut le premier à observer expérimentalement la capture électronique. Irène et Frédéric Joliot-Curie sont les premiers, en , à proposer la possibilité pour un noyau de décroitre après absorption d’un électron. Ils écrivent ainsi dans le Journal de Physique et Le Radium « On peut encore supposer que l’isotope inconnu Na n’est pas stable et se transforme spontanément en Ne par captation d’un électron extranucléaireIrène Curie, F. Joliot. Nouvelles recherches sur l’émission des neutrons. J. Phys. Radium, 1933, 4 (6), .. » Il a par la suite été montré que le décroit effectivement par capture électronique à hauteur d’environ 10 % , nucleide.org..
La capture électronique a été théorisée pour la première fois par Gian-Carlo Wick dans un article publié en italien le G. C. Wick 19, 319 (1934). Luis W. Alvarez, W. Peter Trower (1987). "" In . , , .. Dans cet article, Wick applique la récente théorie de la désintégration bêta proposée par Enrico Fermi et présente une autre désintégration possible en plus de la radioactivité β dont la découverte avait été annoncée six semaines auparavant, le , par Irène Curie et Frédéric Joliot devant l’Académie des SciencesI. Curie et F. Joliot, C. R. Acad. Sci. 198, 254 (1934).. Il calcule la probabilité de se désintégrer par émission de positron et par capture électronique. Du fait de la découverte de la radioactivité β par le couple Joliot-Curie, Emilio Segrè écrit qu’il existe un petit doute concernant le fait de savoir si Wick a vraiment été le premier à mentionner la capture d’électrons K et à calculer sa probabilité même si les Joliot-Curie ne font pas référence à la capture électronique dans leur rapport de 1934. La possibilité de la capture électronique a aussi été envisagée par Hans Bethe et Rudolf Peierls deux mois après le papier de Wick H. Bethe et R. Peierls, , Nature* 133, 689-690 () .. Par la suite, le calcul de Wick a été repris et amélioré par Hideki Yukawa et Shōichi Sakata H. Yukawa et S. Sakata, . 1935; 17: 467-479..
La capture électronique d’électron K a été observée pour la première fois par Luis Alvarez dans la décroissance du . Il a décrit son expérience dans un papier de publié en 1937 , , nobelprize.org. . Nuclear K Electron Capture, Luis W. Alvarez, 52 (1937), , .. Le a été produit par bombardement de titane par des deutérons, tandis que la détection des photons X caractéristiques du titane a été faite à l’aide d’une feuille d’aluminium. La période de trois ans séparant la prédiction théorique de l’observation expérimentale s’explique du fait de la difficulté de mesurer le photon X ou l’électron Auger qui résulte du réarrangement atomique qui suit la capture électronique. Par la suite, Alvarez a continué à étudier la capture électronique dans le , Luis W. Alvarez, 53 (1937), , . ainsi que d’autres nucléides , Luis W. Alvarez, 54 (), , .. Quelques années plus tard, D. H. W. Kirkwood, Bruno Pontecorvo et Geoffrey Chalmers Hanna en 1948 Kirkwood, D. H. W. , B. Pontecorvo, et G. C. Hanna, 1948, , Phys. Rev. 74, 497 ., puis en 1949 Pontecorvo, B. , D. H. W. Kirkwood, et G. C. Hanna, 1949, , Phys. Rev. 75, 982 . ont observé la capture électronique d’électron L dans la décroissance de l’. Puis, P. W. Dougan a mesuré, au cours de sa thèse de doctorat, la capture d’électron M en 1961 dans la décroissance du ..
Point de vue fondamental vignette|Diagramme de Feynman d’une capture électronique.
Le proton et le neutron n’étant pas des particules élémentaires, le processus de la capture électronique implique, au niveau fondamental, les quarks et qui composent les protons et les neutrons. La théorie électrofaible prévoit qu’un boson W soit échangé entre le et l’électron transformant le en et l’électron en neutrino électronique.
Aspects énergétiques Valeur Q La valeur Q exprime la quantité d’énergie relâchée par une réaction. Dans le cas d’une réaction de capture électronique, elle vaut
où et sont respectivement les énergies de masse du noyau père (avant la désintégration) et du noyau fils (après la désintégration), l’énergie d’excitation du noyau père (égale à sauf dans le cas d’isomères), est l’énergie de liaison de l’électron qui a participé au processus et correspond à la différence d’énergie entre les orbitales atomiques du noyau père () et du noyau fils (). Ce dernier terme est généralement négligé sauf dans le cas d’atomes lourds (avec un grand numéro atomique Z) où cette valeur peut atteindre environ Alex F Bielajew, , , 2012.. En revanche, peut atteindre la centaine de keV dans les noyaux les plus lourds, comme dans le bismuth 208 Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., et (2014). (ver. 5.2), []. . , Gaithersburg, MD., et n’est généralement pas négligé Alex F Bielajew, , , 2012..
Compte tenu du fait qu’une réaction ne peut avoir lieu que lorsque la valeur Q est positive (de l’énergie est relâchée par le système), la capture électronique n’a lieu que lorsque
En pratique, et sont souvent négligeables par rapport à la différence de masses des noyaux père et fils (d’autant plus si on considère les électrons des ) ce qui revient à dire que la capture électronique se produit dès que le noyau fils est moins massif que le noyau père. Néanmoins, la présence de ce seuil permet, par exemple, d’expliquer pourquoi la décroissance par capture électronique de l’ dans son état fondamental n’a pas été observée tandis que ce mode de désintégration a été observée, bien qu’avec une faible probabilité, dans son isomère à . En effet, la différence de masse entre l’²⁴⁴Am et le ²⁴⁴Pu est d’environ tandis que l’énergie de liaison des électrons de la est de l’ordre de . Ainsi la désintégration par capture électronique de l’²⁴⁴Am n’est-elle possible que par capture d’un électron de couches supérieures (L, M, N, …) ce qui est beaucoup moins probable que la capture d’un électron de la . En revanche, dans l’isomère ²⁴⁴ᵐAm, la capture d’électron de la est possible puisqu’il faut prendre en compte l’énergie du niveau excité. On a ainsi une énergie « disponible » de , nucleide.org. ce qui est supérieure aux correspondant à l’énergie de liaison d’un électron de la . La probabilité étant plus importante, ce mode de décroissance a pu être observé à hauteur de 0,036 ± 0,001 %.
Neutrino Après une capture électronique, deux corps peuvent se partager l’énergie : le noyau de recul et le neutrino électronique. Cela se traduit par le fait que ces deux particules ont une énergie cinétique bien définie contrairement au cas de la désintégration bêta où le spectre en énergie est continu du fait de la présence d’une troisième particule (la particule bêta). L’énergie du neutrino dépend donc uniquement de l’énergie disponible. Comme indiqué dans la section précédente, cette énergie dépend principalement de la masse des noyaux père et fils et de l’énergie de liaison de la couche électronique sur laquelle se trouve l’électron participant à la capture électronique. Ainsi, pour un noyau père donné, le neutrino peut-il prendre plusieurs énergies différentes suivant les différentes couches électroniques impliquées (K, L, M, …).
En tenant compte de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, en négligeant les effets relativistes et en considérant le neutrino sans masse, on démontre que l’énergie cinétique du neutrino s’exprime à l’aide de la relation suivante
De ce résultat, il est possible de voir que le neutrino emporte quasiment l’ensemble de l’énergie disponible. En effet, le rapport est proche de 0 (la valeur Q est de l’ordre du MeV tandis que l’énergie de masse vaut plusieurs dizaines voire centaines de MeV). Il est alors possible d’appliquer un développement limité à l’ ce qui conduit à la relation .
Noyau de recul La conservation de la quantité de mouvement permet de démontrer que l’énergie cinétique du noyau de recul, , s’exprime habituellement à l’aide de la relation suivante Table de RADIONUCLÉIDES, , 2011.
où est l’énergie du neutrino associée à une couche électronique donnée, est la masse du noyau fils Y (après la désintégration) et est la vitesse de la lumière dans le vide.
Cette quantité est généralement négligeable sauf dans le cas du ⁷Be où l’énergie de recul du ⁷Li vaut dans le cas d’une capture d’un électron de la . Cette énergie de recul a été mesurée pour la première fois en 1997 par Massimiliano Galeazzi et ses collaborateurs Galeazzi , , Physics Letters B 398 (1997), 187-193 ..
Réarrangement du cortège électronique vignette|Schéma présentant la capture électronique et le réarrangement atomique qui suit. Un proton libre ne peut se désintégrer en neutron par capture électronique ; les protons et les neutrons doivent faire partie d’un noyau. Lors de la capture électronique, un électron situé sur une orbitale atomique, habituellement les , est capturé par le proton conduisant à la décroissance du noyau. La capture de l’électron crée un trou sur l’orbitale où il se trouvait. Les électrons se réarrangent alors sur les couches afin de remplir à nouveau les orbitales de plus basses énergies. Différentes transitions électroniques ont alors lieu jusqu’à ce que l’ensemble des couches soient pleines. Chaque transition (passage d’un électron d’une couche donnée à une couche d’énergie inférieure) est accompagnée par l’émission d’un photon X ou d’un électron Auger.
L’énergie du photon X ou de l’électron Auger correspond exactement à la différence d’énergie entre les deux niveaux électroniques. En supposant la capture d’un électron de la par le proton et la transition d’un électron de la vers la pour combler la lacune, alors l’énergie du photon X émis, E, est donnée par la relation : E = E - E où E et E sont respectivement l’énergie des . Au lieu d’émettre un photon X, il est également possible de transférer ce surplus d’énergie à un autre électron du cortège électronique qui sera alors expulsé de l’atome ; il s’agit de l’effet Auger. L’énergie de cet électron, E, est alors donnée par (en supposant qu’il se trouve sur la ) : E = E - E - E où E est l’énergie de la .
Le réarrangement atomique complet peut donc être accompagné de plusieurs émissions d’électrons Auger et/ou de . Il est par ailleurs possible que la lacune initiale soit comblée par un électron libre. Un unique (ou un unique électron Auger) est alors émis avec une énergie égale à l’énergie du niveau sur lequel a été faite la lacune.