Un mode mineur, alternative de la radioactivité bêta-plus
La capture électronique est un mode de radioactivité mineur dû à l’interaction faible. L’exemple le plus connu est le potassium-40 : 11% des noyaux de cet isotope instable du potassium présent dans le corps humain se désintègrent par capture électronique.
Émission d’un positon contre capture d’un électron
L’émission d’un positon et la capture d’un électron sont deux réactions jumelles qui diminuent toutes deux le nombre Z de protons du noyau d’une unité, et produisent un neutrino dans l’état final. Le positon observé de la désintégration bêta-plus (en haut), est une nouvelle particule qui requiert les 0,511 Mev de son énergie de masse pour être produite. Il n’y a pas d’énergie seuil similaire dans le cas de la capture électronique (en bas). Dans les deux cas, pratiquement toute l’énergie disponible est emportée par les 2 ou 1 particules légères.
© IN2P3
La capture d’un électron a le même effet que l’émission d’un positon : transformer un des protons du noyau en neutron et diminuer sa charge électrique d’une unité. La Nature utilise ce moyen, avec la désintégration bêta-plus, pour corriger la composition d’un noyau trop riche en protons. La désintégration bêta-moins n’est pas concurrencée par la capture de positons, sauf dans un monde d’antimatière qui dans notre quotidien relève de la science fiction !
La capture d’un électron du cortège déclenche l’émission d’un invisible neutrino par le noyau.
C’est naturellement le cortège d’électrons entourant le noyau qui fournit les électrons. La capture s’avère difficile. Les électrons circulent relativement loin du noyau – sauf ceux de la couche la plus interne – alors que les forces faibles responsables de la capture sont à très courte portée.
La capture d’un électron : un processus rare
Les forces faibles sont responsables de l’émission de positons et son inverse la capture électronique. La capture d’un électron est beaucoup plus rare que l’émission d’un positon. Alors que la désintégration bêta-plus se produit naturellement quand elle est énergétiquement permise, les forces faibles demandent pour que l’électron soit capturé que l’électron entre en contact 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 extrêmement faible (Pour le potassium-40, le volume du noyau représente moins d’un milliardième de celui de la couche K).
© IN2P3
La capture électronique est plus économique au point de vue énergétique que l’émission concurrente d’un positon. La création d’un positon nécessite 511 keV, l’énergie de masse de la particule. Si l’énergie disponible dans la désintégration est inférieure à cette valeur, l’émission d’un positon (désintégration bêta-plus) n’est pas permise. En dessous de ce seuil, la capture électronique devient le seul mode pour réduire un excès e protons.
Ce mode de désintégration est très discret, car le neutrino qui emporte l’essentiel de l’énergie libérée est impossible à détecter. Quand au noyau de recul, son parcours ne dépasse pas la fraction de millimètre. Il reste lui aussi indécelable.
L’événement passerait inaperçu, si le noyau et son cortège électronique ne se réarrangeaient pas. L’électron capturé appartient généralement à la couche interne. L’atome qui se retrouve avec un « trou » sur cette couche est perturbé. Il se réarrange en émettant des Rayons X que l’on détecte. La capture peut également laisser le noyau dans un état excité. Elle est alors suivie par l’émission d’un rayon gamma de désexcitation.
Ce mode de radioactivité est en conséquence difficile à détecter. La capture électronique a été découverte en 1937 par le physicien américain Luis Alvarez (1911-1988) 40 ans après la radioactivité bêta-moins et quelques années après la radioactivité bêta-plus.
Luis Alvarez, prix Nobel de physique, eut une longue et brillante carrière de physicien. Il fut à l’origine en 1980 d’une thèse célèbre sur l’extinction des dinosaures, qui serait due à la collision d’un astéroïde avec la terre il y a 160 millions d’années. Le nuage de poussière dû à l’impact aurait masqué le soleil pendant plusieurs mois. Grâce à son fils géologue, Luis Alvarez trouva des traces de ce nuage qui fit mourir de faim les dinosaures et d’autres espèces végétariennes, en détectant à la surface terrestre une mince couche contenant un isotope radioactif de l’iridium extraterrestre, un élément que l’on ne trouve que rarement sur terre.
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