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 e inmediatamente se desintegra emitiendo una partícula subatómica. El rayo gamma entrante expulsa efectivamente del núcleo a 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 núcleos atómicos más ligeros que el hierro y, a veces, exotérmica (liberación de energía) para núcleos atómicos más pesados que el hierro . La fotodesintegración es responsable de la nucleosíntesis de al menos algunos elementos pesados ricos en protones mediante el proceso p en supernovas de tipo Ib, Ic o II. Esto hace que el hierro se fusione aún más con los elementos más pesados. [ cita necesaria ]
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 protón-neutrón. [2] Este experimento demuestra que un neutrón no es un estado unido de un protón y un electrón, [ ¿ por qué? ] [3] como había sido propuesto por Ernest Rutherford .
Un fotón con 1,67 MeV o más de energía puede fotodesintegrar un átomo de berilio-9 (100% del berilio natural, su único isótopo estable):
El antimonio-124 se ensambla con berilio para fabricar fuentes de neutrones de laboratorio y fuentes de neutrones de inicio . 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 promedio de 24 keV (el llamado neutrón intermedio en términos de energía): [4] [5]
Otros isótopos tienen umbrales más altos para la producción de fotoneutrones, de hasta 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 le quita energía, y el colapso del núcleo conduce a la formación de un agujero negro . Una parte de la masa se escapa en forma de chorros relativistas , que podrían haber "rociado" los primeros metales al universo. [7] [8]
Los rayos terrestres producen electrones de alta velocidad que crean ráfagas de rayos gamma como bremsstrahlung . 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,norte)13
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, es el único proceso natural aparte 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 mediante 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).