Desintegración beta

Decaimiento β^- de un núcleo. Se observa como uno de los neutrones se transforma en un protón emitiendo un electrón (β^-) y un anti-neutrino electrónico.

La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta es un proceso mediante el cual un nucleido inestable emite una partícula beta para optimizar la relación N/Z (neutrones/protones) del núcleo. La partícula beta puede ser un electrón, escribiéndose β^-, o un positrón, β⁺. En la emisión beta, varían el número de protones y el de neutrones del núcleo resultante, mientras que la suma de ambos (el número másico) permanece constante.

La diferencia fundamental entre un electrón o positrón y la partícula beta correspondiente es su origen nuclear: no se trata de un electrón ordinario arrancado de un orbital atómico.

Una reacción alternativa que hace que un núcleo con exceso de protones se vuelva más estable es la captura electrónica.

Reacciones nucleares

Diagrama de Feynman de una desintegración β^-, proceso mediante el cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d en azul), emite una partícula W^- pasando a ser un quark (u), la partícula emitida (W^-) se desintegra en un antineutrino y un electrón.

La desintegración beta es debida a la interacción nuclear débil, que transforma un neutrón en un protón (desintegración β^-) o viceversa (β⁺), creando un par leptón-antileptón, conservando así los números bariónico (inicialmente 1) y leptónico (inicialmente 0). Estas reacciones dieron lugar precisamente a que se propusiera la existencia del neutrino, debido a la aparente violación del principio de conservación de la energía.

Desintegración β^-

Un neutrón da lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:

${\mbox{n}}\rightarrow {\mbox{p}}^{+}+{\mbox{e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{\mbox{e}}$

Este proceso ocurre espontáneamente para neutrones libres, con un tiempo de vida media de 614,6 s.

Desintegración β⁺

Un protón da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:

${\mbox{p}}^{+}\rightarrow {\mbox{n}}+{\mbox{e}}^{+}+{\nu }_{\mbox{e}}$

Esta reacción está prohibida para protones libres, pues implicaría una violación del principio de conservación de la energía, ya que la suma de las energías de los productos resultantes sería mayor que la del protón. Sin embargo, para protones ligados (i.e., formando parte de un núcleo), puede ocurrir que la diferencia de energías entre el núcleo final y el inicial sea suficiente para crear las partículas resultantes, en cuyo caso la reacción está permitida.

Este proceso compite en ocurrencia con la captura electrónica.

El espectro de energía de la partícula β y descubrimiento del neutrino

Espectro de emisión de la partícula beta

Al contrario que en el caso de la desintegración α o la emisión γ, en el caso de la desintegración beta el espectro energético de las partículas beta detectadas es continuo.

Atendiendo al principio de conservación de la energía, la energía total de la partícula emitida en la desintegración beta debe ser igual a la diferencia de energías entre el núcleo original y el resultante. Lo cierto es que se detectan partículas beta de energías cinéticas comprendidas entre cero y la correspondiente precisamente a aquélla que tomara toda la energía disponible en la reacción. Aparentemente, hay una cierta cantidad de energía que desaparece en el proceso.

Para dar explicación a esta observación, Pauli propuso la existencia de una partícula sin carga que no estaba siendo detectada. Hoy en día sabemos que, aunque difícil de detectar, esta partícula existe. A la partícula emitida en el proceso β⁺ se la llamó neutrino y antineutrino a la correspondiente al proceso β^-. Algunos intentos de medir la masa del neutrino han establecido un límite superior para ésta de unos pocos eV.

Referencias

• Lilley, John (2001). Nuclear Physics. Principles and Applications. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 0-471-97936-8. 

• Ortega Aramburu, Xavier; Jorba Bisbal, Jaume (1996). Radiaciones ionizantes. Utilizaciones y riesgos. Volumen I. Barcelona: Edicions UPC. ISBN 84-8301-088-7.