Se observa la excitación de un núcleo atómico mediante la captura de un electrón

Dibujo20180213 atlas argonne tandem linac accelerator NEEC Science Springs

Un electrón en un átomo ocupa todo el volumen del átomo y por ello puede afectar a su núcleo. En 1976 se predijo que, por resonancia, la captura de un electrón podía excitar un nivel energético en un núcleo. Nature publica la primera observación de este fenómeno gracias al experimento ATLAS del Laboratorio Nacional Argonne (EEUU). Ha costado tanto tiempo porque la energía que liga los electrones a los núcleos ronda los kiloelectrónvoltios (keV) mientras la energía que liga los nucleones entre sí dentro de los núcleos ronda los megaelectrónvoltios (MeV). Sin embargo, hay estados nucleares muy cercanos entre sí, separados por pocos keV, que pueden ser excitados gracias a electrones capturados por iones altamente ionizados.

Se han usado iones de molibdeno-93 con carga entre +32 y +36 (recuerda que el Mo tiene 42 electrones). Su núcleo tiene dos estados energéticos separados por solo 4,85(9) keV, los estados con espín (21/2)+ y (17/2)+. La energía de captura de electrones por estos iones ronda 4,85 keV. Gracias a esta coincidencia se ha podido observar la excitación de un núcleo por captura de un electrón (NEEC, por sus siglas en inglés). Por técnicas nucleares se excitan los núcleos a un estado de espín (35/2) que se desintegra vía una cadena nuclear con emisión radiactiva gamma hasta el estado (21/2)+, cuya vida media es de 6,85 horas (tiempo suficiente para permitir la captura de un electrón). Lo normal es que este estado decaiga en el estado (13/2)+ emitiendo un fotón con energía de 263 keV. Gracias a la NEEC, el núcleo se excita al estado (17/2)+ cuya vida media es de 3,5 nanosegundos, que decae en el estado (13/2)+ emitiendo un fotón con energía de 268 keV. El pico en el espectro gamma a esta energía es la señal inequívoca de la observación.

La observación de la NEEC permite estimar su probabilidad (difícil de estimar por medios teóricos), lo que tiene consecuencias en astrofísica. Se recurre a este proceso para explicar la reducción en la abundancia de ciertos isótopos en entornos estelares cuya vida media es más larga de lo que indican las observaciones. En dichos entornos hay muchos electrones y gracias a la NEEC la vida media de estos isótopos se reduce mucho. Pero, por supuesto, lo más relevante para un físico teórico es la confirmación experimental de una predicción de hace 40 años.

El experimento es muy complejo en sus detalles, pero creo que no son relevantes aquí. Los interesados pueden consultar el artículo es C. J. Chiara, J. J. Carroll, …, S. A. Karamian, “Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture,” Nature 554: 216–218 (08 Feb 2018), doi: 10.1038/nature25483. Más información divulgativa en la nota de prensa de Savannah Mitchem, “Captured electrons excite nuclei to higher energy states,” ANL, 09 Feb 2018 [ScienceSprings, 12 Feb 2018].

Dibujo20180213 nuclear excitation by electron capture Mo-93 decay scheme nature25483-f1

Un isómero nuclear es un estado metaestable de un núcleo atómico causado por la excitación de uno o varios de sus nucleones (protones o neutrones). Esta figura muestra la cadena radiactiva gamma (emisión de fotones) del núcleo de Mo-93 desde el estado de espín (32/5) al estado (5/2)+. Como he indicado más arriba el Mo-93 tiene un isómero (21/2)+ con una energía de 2,425 MeV y una vida media de 6,85 horas, y otro isómero intermedio cercano (17/2)+ a 2,430 MeV que se encuentra a solo 4,85(9) keV más arriba. Mediante reacciones nucleares se puede excitar el núcleo de Mo-93 a un estado (35/2) que decae pasando por el estado (21/2)+, pero no por el estado (17/2)+.

Mediante una técnica de ionización agresiva se le quitan entre 32 y 36 electrones a átomos de Mo-93 generando iones que se hacen colisionar con un blanco que provee electrones para su captura en los correspondientes orbitales. La energía de captura de los primeros electrones en estos iones ronda ΔE = 4,85 keV que coincide con la energía necesaria para excitar el isómero intermedio (17/2)+ mediante el proceso NEEC. Dicho estado intermedio tiene una vida media muy corta, de solo 3,5 ns, decayendo por emisión de un rayo gamma de 268 keV en el estado (13/2)+, que a su vez decae con fotón de 685 keV en el estado (9/2)+, y finalmente con otro fotón de 1478 keV en el estado (5/2)+.

Dibujo20180213 Spectra demonstrating the signature of NEEC nature25483-f2

Este espectro de rayos gamma muestra todas las líneas observadas en el experimento. Las líneas a 268 keV (debido a la NEEC) y a 685 keV brillan claramente. También se observa (figura central) que la línea a 263 keV está fuertemente suprimida. Estos espectros permiten estimar la probabilidad de la NEEC, lo que permitirá afinar los modelos teóricos que predicen el fenómeno (y que nos permite usarlo para entender fenómenos astrofísicos con otros núcleos).

Dibujo20180213 Spectra used to determine the NEEC probability nature25483-f3

Esta figura muestra una ampliación del espectro de rayos gamma observado sin filtrar las líneas contaminantes. Se observa que además del pico a 268 keV (NEEC) y transiciones conocidas del Mo-93 (marcadas con asteriscos), hay una transición espuria (marcada con c); su fuente parece ser la contaminación con Ru-95. El 93Mo excitado se produce por fusión de 90Zr + 7Li. La captura de electrones se produce en un blanco de 12C y parte del haz de 90Zr reacciona con este blanco produciendo 95Ru. No hay indicios de que la señal a 268 keV sea debida a algún otro tipo de contaminación, pero como siempre, toda primera observación de un fenómeno debe ser repetida de forma independiente.

En resumen, un resultado interesante que nos recuerda que la física está repleta de predicciones teóricas a la espera de físicos experimentales sagaces capaces de ponerlas a prueba. Sin lugar a dudas estos resultados darán lugar a mejoras en los códigos de simulación de las desintegraciones radiactivas de elementos pesados en entornos estelares que ayudarán a entenderlas mejor. Habrá que estar al tanto de dichos estudios.


8 Comentarios

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Santi ReigSanti Reig

Hola Francis, gracias por la explicación de esta experiencia.

Quería preguntarte tu opinión acerca de este artículo publicado en ABC, en relación a este experimento. En él se dice que este descubrimiento permitirá el desarrollo de una nueva fuente de energía.
La verdad es que estoy algo confuso pues, desde el punto de vista energético la única diferencia que veo son estos 5 KeV que se obtienen al exitar en Mo-93 al estado (17/2)+ para lo que hace falta por otro lado un electrón con 4,98 KeV.
Como no sea que el t1/2 de nanosegundos en lugar de horas para el decaimiento al 13/2+ sea la ventaja..

Te dejo el enlace a la noticia de ABC:

http://www.abc.es/ciencia/abci-confi...oticia.html

Gracias por tu respuesta

Francisco R. Villatoro

Santi, como es habitual, José Manuel Nieves no sabe de lo que habla y se inventa casi todo lo que dice. “Confirman una nueva fuente de energía procedente de las estrellas” es falso, ni es una fuente de energía ni procede de las estrellas; “del que es posible extraer una enorme cantidad de energía” también es falso, ni se extrae energía, todo lo contrario; “el mecanismo clave a través del cual las estrellas consiguen producir elementos tan pesados como el oro o el platino” también es falso, se producen en kilonovas; etc.

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

No le ponía cara, hasta que he visto que es el lumbreras que aparece en cuarto milenio.

JavpodJavpod

Hola Francis, primero disculpa por la más que segura “burrada” que te voy a preguntar. A raíz de lo que nos cuentas en esta entrada, ¿sería posible en un futuro lejano, crear una tecnología que utilizase este fenómeno para aumentar la tasa de desintegración de los isótopos en residuos nucleares y ayudar a su eliminación segura?
Gracias por tu trabajo y un saludo

Francisco R. Villatoro

Javpod, no sé si se logrará con la NEEC o con la NEET, pero en el ANL están trabajando en esta cuestión. Por supuesto, aún queda mucha investigación básica (se ha estudiado la NEEC en el molibdeno porque estudiarla en el uranio y el plutonio por ahora es imposible). Y por supuesto, el coste energético de esta técnica de eliminación de residuos es tan alto que solo será posible cuando haya reactores de fusión comerciales.

JavpodJavpod

¡asombroso! no ha sido tan burrada como me pensaba jaja. Imagino que al paso que vamos con los reactores comerciales de fusión, estamos hablando de un plazo mínimo de…50 años?
Muchas gracias Francis!

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