التقاط الإلكترون

أسر الإلكترون ( أو أسر الإلكترون K ، أو أسر الإلكترون L ) هو عملية تمتص فيها نواة ذرة متعادلة كهربائياً، غنية بالبروتونات، إلكتروناً ذرياً داخلياً ، عادةً من غلاف الإلكترون K أو L. تُحوّل هذه العملية بروتوناً نووياً إلى نيوترون ، وتتسبب في الوقت نفسه بانبعاث نيوترينو إلكتروني .

p  + e ⁻   → ن + ν    _هـ

أو عند كتابتها كمعادلة تفاعل نووي ، ${\displaystyle {\ce {^{0}_{-1}e + ^{1}_{1}p -> ^{1}_{0}n + ^{0}_{0}}}}$ν${\displaystyle _{e}}$

بما أن هذا النيوترينو المنبعث يحمل طاقة الاضمحلال كاملة ، فإنه يمتلك هذه الطاقة المميزة. وبالمثل، فإن زخم انبعاث النيوترينو يتسبب في ارتداد الذرة الناتجة بزخم مميز واحد.

تنتقل النواة الناتجة ، إذا كانت في حالة إثارة ، إلى حالتها الأرضية . عادةً ما ينبعث شعاع غاما خلال هذا الانتقال، ولكن قد يحدث أيضًا تهدئة نووية عن طريق التحول الداخلي .

بعد التقاط إلكترون داخلي من الذرة، يحل محله إلكترون خارجي، وينتج عن هذه العملية فوتون واحد أو أكثر من أشعة إكس المميزة . كما ينتج عن التقاط الإلكترون أحيانًا تأثير أوجيه ، حيث يُقذف إلكترون من غلاف الإلكترونات في الذرة نتيجةً للتفاعلات بين إلكترونات الذرة أثناء بحثها عن مستوى طاقة أقل.

بعد أسر الإلكترون، ينخفض ​​العدد الذري بمقدار واحد، ويزداد عدد النيوترونات بمقدار واحد، ولا يتغير العدد الكتلي . ينتج عن أسر الإلكترون وحده ذرة متعادلة، لأن فقدان الإلكترون في غلاف الإلكترون يتوازن مع فقدان الشحنة النووية الموجبة. مع ذلك، قد ينتج أيون ذري موجب نتيجة انبعاث إلكترونات أوجيه إضافية.

يُعدّ التقاط الإلكترون مثالاً على التفاعل الضعيف ، وهو أحد القوى الأساسية الأربع.

يُعدّ أسر الإلكترون نمط الاضمحلال الأساسي للنظائر التي تحتوي نواتها على وفرة نسبية من البروتونات ، ولكن مع وجود فرق طاقة غير كافٍ بين النظير ونسله المحتمل ( النظير ذو الشحنة الموجبة الأقل ) لكي يتحلل بإصدار بوزيترون . ويُعتبر أسر الإلكترون دائمًا نمط اضمحلال بديلًا للنظائر المشعة التي تمتلك طاقة كافية للاضمحلال بإصدار بوزيترون . يُصنّف أسر الإلكترون أحيانًا كنوع من اضمحلال بيتا ، ^{[ 1 ]} لأن العملية النووية الأساسية، التي تتوسطها القوة الضعيفة، هي نفسها. في الفيزياء النووية ، يُعرف اضمحلال بيتا بأنه نوع من الاضمحلال الإشعاعي حيث ينبعث شعاع بيتا (إلكترون أو بوزيترون سريع الطاقة) ونيوترينو من نواة الذرة. يُطلق على أسر الإلكترون أحيانًا اسم اضمحلال بيتا العكسي ، على الرغم من أن هذا المصطلح يشير عادةً إلى تفاعل مضاد نيوترينو الإلكترون مع بروتون. ^{[ 2 ]}

إذا كان فرق الطاقة بين الذرة الأصلية والذرة الناتجة أقل من 1.022 ميغا إلكترون فولت ، فإن انبعاث البوزيترون ممنوع لعدم كفاية طاقة الاضمحلال ، وبالتالي يكون أسر الإلكترون هو نمط الاضمحلال الوحيد. على سبيل المثال، يتحلل الروبيديوم-83 (37 بروتونًا، 46 نيوترونًا) إلى الكريبتون-83 (36 بروتونًا، 47 نيوترونًا) عن طريق أسر الإلكترون فقط (فرق الطاقة، أو طاقة الاضمحلال، حوالي 0.9 ميغا إلكترون فولت).      

نُوقشت نظرية أسر الإلكترون لأول مرة من قِبل جيان كارلو ويك في ورقة بحثية عام 1934، ثم طوّرها هيديكي يوكاوا وآخرون. وقد رُصد أسر إلكترون K لأول مرة بواسطة لويس ألفاريز في الفاناديوم ، ⁴⁸V ، الذي أبلغ عنه في عام 1937. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} واصل ألفاريز دراسة التقاط الإلكترون في الغاليوم ( ⁶⁷الغاليوم (Ga ) ونظائر أخرى. ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]}

الإلكترون الذي يتم التقاطه هو أحد إلكترونات الذرة نفسها، وليس إلكترونًا جديدًا واردًا، كما قد يُوحي به شكل التفاعلات المكتوبة أدناه. ومن أمثلة التقاط الإلكترون ما يلي:

26 13 Al	+ e −   →	26 12 ملغ	+ ν هـ
59 28 Ni	+ e −   →	59 27 شركة	+ ν هـ
40 19 ألف	+ e −   →	40 18 Ar	+ ν هـ

يمكن تثبيط النظائر المشعة التي تتحلل عن طريق التقاط الإلكترونات فقط من التحلل الإشعاعي إذا كانت متأينة بالكامل (يُستخدم أحيانًا مصطلح "مجردة" لوصف هذه الأيونات). يُفترض أن هذه العناصر، إذا تشكلت بواسطة عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process) في المستعرات العظمى المتفجرة ، تُقذف متأينة بالكامل، وبالتالي لا تخضع للتحلل الإشعاعي طالما أنها لا تصطدم بإلكترونات في الفضاء الخارجي. يُعتقد أن الشذوذات في التوزيعات العنصرية ناتجة جزئيًا عن هذا التأثير على التقاط الإلكترونات. يمكن أيضًا أن يحدث تحلل عكسي نتيجة للتأين الكامل؛ على سبيل المثال، ¹⁶³يتحلل Ho إلى ¹⁶³يتم ذلك عن طريق التقاط الإلكترون؛ ومع ذلك، فإن ¹⁶³ متأين بالكامليتحلل الديسبيروزيوم إلى حالة مقيدة من ¹⁶³Ho من خلال عملية اضمحلال ^β- للحالة المقيدة . ^{[ 8 ]}

يمكن للروابط الكيميائية أن تؤثر أيضًا على معدل التقاط الإلكترون بدرجة طفيفة (أقل من 1% عمومًا) اعتمادًا على قرب الإلكترونات من النواة. على سبيل المثال، في نظير ^{البريليوم-7} ، لوحظ فرق بنسبة 0.9% بين عمر النصف في البيئات المعدنية والعازلة. ^{[ 9 ]} ويعود هذا التأثير الكبير نسبيًا إلى أن البريليوم ذرة صغيرة تستخدم إلكترونات التكافؤ القريبة من النواة، والتي تتواجد أيضًا في مدارات بدون زخم زاوي مداري. تمتلك الإلكترونات في مدارات s (بغض النظر عن الغلاف أو العدد الكمي الأساسي) عقدة احتمالية عند النواة، وبالتالي فهي أكثر عرضة لالتقاط الإلكترون من إلكترونات p أو d ، التي تمتلك عقدة احتمالية عند النواة.

حول العناصر الموجودة في منتصف الجدول الدوري ، تميل النظائر الأخف من النظائر المستقرة لنفس العنصر إلى التحلل عن طريق التقاط الإلكترونات، بينما تتحلل النظائر الأثقل من النظائر المستقرة عن طريق انبعاث الإلكترونات . يحدث التقاط الإلكترونات في أغلب الأحيان في العناصر الأثقل التي تعاني من نقص في النيوترونات، حيث يكون التغير في الكتلة أقل ما يمكن، ولا يكون انبعاث البوزيترونات ممكنًا دائمًا. عندما يكون فقدان الكتلة في التفاعل النووي أكبر من الصفر ولكنه أقل من 2m _{_e} c ^²، لا يمكن أن تحدث العملية عن طريق انبعاث البوزيترونات، ولكنها تحدث تلقائيًا عن طريق التقاط الإلكترونات.

تتضمن بعض النويدات المشعة الشائعة التي تتحلل فقط عن طريق التقاط الإلكترون ما يلي (حيث a = سنة أو عام):

للاطلاع على القائمة الكاملة، انظر جدول النوى .

• حدود تشاندراسيكار

• "مخطط النوى المشعة المباشر" . قسم البيانات النووية بالوكالة الدولية للطاقة الذرية. فيينا، النمسا: الوكالة الدولية للطاقة الذرية . تاريخ الاطلاع: 16 أغسطس 2020 .مع وجود مرشح لالتقاط الإلكترون