La fotodesintegración (también llamada fototransmutación o reacción fotonuclear ) es un proceso nuclear en el que un núcleo atómico absorbe un rayo gamma de alta energía , entra en un estado excitado y se desintegra inmediatamente emitiendo una partícula subatómica. El rayo gamma entrante expulsa del núcleo uno o más neutrones , protones o una partícula alfa . [1] Las reacciones se denominan (γ,n), (γ,p) y (γ,α).
La fotodesintegración es endotérmica (absorción de energía) para los núcleos atómicos más ligeros que el hierro y, a veces, exotérmica (liberación de energía) para los núcleos atómicos más pesados que el hierro . La fotodesintegración es responsable de la nucleosíntesis de al menos algunos elementos pesados ricos en protones a través del proceso p en supernovas de tipo Ib, Ic o II. Esto hace que el hierro se fusione aún más para formar los elementos más pesados. [ cita requerida ]
Un fotón que transporta 2,22 MeV o más de energía puede fotodesintegrar un átomo de deuterio :
James Chadwick y Maurice Goldhaber utilizaron esta reacción para medir la diferencia de masa entre un protón y un neutrón. [2] Este experimento demuestra que un neutrón no es un estado ligado de un protón y un electrón, [ ¿por qué? ] [3] como había propuesto Ernest Rutherford .
Un fotón que transporta 1,67 MeV o más de energía puede fotodesintegrar un átomo de berilio-9 (100% de berilio natural, su único isótopo estable):
El antimonio-124 se combina con berilio para fabricar fuentes de neutrones de laboratorio y fuentes de neutrones de arranque . El antimonio-124 (vida media de 60,20 días) emite rayos gamma β− y 1,690 MeV (también 0,602 MeV y 9 emisiones más débiles de 0,645 a 2,090 MeV), lo que produce telurio-124 estable. Los rayos gamma del antimonio-124 dividen el berilio-9 en dos partículas alfa y un neutrón con una energía cinética media de 24 keV (un neutrón intermedio en términos de energía): [4] [5]
Otros isótopos tienen umbrales más altos para la producción de fotoneutrones, tan altos como 18,72 MeV, para el carbono-12 . [6]
En las explosiones de estrellas muy grandes (250 o más masas solares ), la fotodesintegración es un factor importante en el evento de supernova . A medida que la estrella llega al final de su vida, alcanza temperaturas y presiones donde los efectos de absorción de energía de la fotodesintegración reducen temporalmente la presión y la temperatura dentro del núcleo de la estrella. Esto hace que el núcleo comience a colapsar a medida que la fotodesintegración absorbe energía, y el núcleo colapsado conduce a la formación de un agujero negro . Una parte de la masa escapa en forma de chorros relativistas , que podrían haber "rociado" los primeros metales en el universo. [7] [8]
Los rayos terrestres producen electrones de alta velocidad que crean ráfagas de rayos gamma, conocidas como radiación de frenado . La energía de estos rayos a veces es suficiente para iniciar reacciones fotonucleares que dan lugar a la emisión de neutrones. Una de esas reacciones,14
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(γ,n)13
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, es el único proceso natural, además de los inducidos por los rayos cósmicos , en el que13
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se produce en la Tierra. Los isótopos inestables que quedan de la reacción pueden posteriormente emitir positrones por desintegración β + . [9]
La fotofisión es un proceso similar pero distinto, en el que un núcleo, después de absorber un rayo gamma, sufre una fisión nuclear (se divide en dos fragmentos de masa casi igual).