Desintegración beta

La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta es un proceso mediante el cual un nucleido o núclido inestable emite una partícula beta (un electrón o positrón) para compensar la relación de neutrones y protones del núcleo atómico.

Cuando esta relación es inestable, algunos neutrones se convierten en protones, o viceversa. Como resultado de esta mutación, cada neutrón emite una partícula beta y un antineutrino electrónico o un neutrino electrónico.

La partícula beta puede ser un electrón, en una emisión beta menos (β^–), o un positrón, en una emisión beta más (β⁺). La diferencia fundamental entre un electrón (β^–) y la de un positrón (β⁺) con respecto a la partícula beta correspondiente es el origen nuclear de aquéllos: no se trata de un electrón ordinario expulsado de un orbital atómico.

En este tipo de desintegración, el número de neutrones y protones, o número másico, permanece estable, ya que la cantidad de neutrones disminuye una unidad y la de protones aumenta así mismo una unidad. El resultado del decaimiento beta es un núcleo en que el exceso de neutrones o protones se ha corregido en dos unidades y por tanto resulta más estable.

Tipos de desintegración β

La desintegración beta se debe a la interacción nuclear débil, que convierte un neutrón en un protón (desintegración β^–), o viceversa (β⁺), y crea un par leptón-antileptón. Así se conservan los números bariónico (inicialmente 1) y leptónico (inicialmente 0). Debido a la aparente violación al principio de conservación de la energía, estas reacciones propiciaron precisamente que se propusiera la existencia del neutrino.

Desintegración β^–

Un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:

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

Este proceso ocurre espontáneamente en neutrones libres, en el transcurso de 614,6 s de vida media.

Desintegración β⁺

Un protón deviene en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:

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

Esta reacción no ocurre en protones libres, pues implicaría violación al 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, en protones ligados (integrantes de núcleos) 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 es válida.

Este proceso compite en ocurrencia con la captura electrónica.

Espectro de energía de la partícula β y descubrimiento del neutrino

Al contrario que en los casos de desintegración α o de emisión γ, en 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 del núcleo original respecto del resultante.

Lo cierto es que se detectan partículas beta de energías cinéticas comprendidas entre cero y la correspondiente precisamente a la que tomara toda la energía disponible en la reacción. En apariencia, en el proceso desaparece cierta cantidad de energía.

Para aportar una explicación a esta incongruencia, Pauli propuso la existencia de una partícula sin carga eléctrica hasta entonces no detectada, el neutrino. Aunque los neutrinos son difícil de detectar, hoy se han podido detectar de acuerdo con la predicción de Pauli.

Por tal carencia de carga eléctrica, a la partícula emitida en el proceso β⁺ se la denominó neutrino, y a la correspondiente al proceso β^–, antineutrino. Algunos intentos de cuantificar la masa del neutrino han establecido un límite superior de unos pocos voltios electrónicos (o electronvoltios): (eV).

Explicación

La primera explicación de la desintegración beta se debe a Enrico Fermi expuesta en su Tentativo di una teoria dei raggi beta (1933) que se popularizó en el congreso de Solvay, esta teoría trata de manera bastante completa los aspectos formales del proceso. También fue Fermi quien desarrolló la primera teoría de la fuerza débil.

En la teoría modernamente aceptada, los nucleones interactúan mediante fuerza nuclear fuerte residual, eso implica que en un núcleo atómico normal los protones están transmutando continuamente en neutrones y viceversa mediante reacciones del tipo:

$p^{+}+n^{0}\to (n^{0}+\pi ^{+})+n^{0}\to n^{0}+(\pi ^{+}+n^{0})\to n^{0}+p^{+}$

$n^{0}+p^{+}\to (p^{+}+\pi ^{-})+p^{+}\to p^{+}+(\pi ^{-}+p^{+})\to p^{+}+n^{0}$

En la primera reacción anterior un protón emite inicialmente un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el pión positivo es reabsorbido por un neutrón convirtiéndose en un protón, el efecto neto de ese intercambio es una fuerza atractiva. En la segunda, un neutrón emite un pión negativo y se convierte en un protón, el pión negativo al ser reabsorbido por otro protón da lugar a un neutrón. Estas dos reacciones tienen lugar a través de la interacción fuerte y son mucho más probables que las reacciones competidoras:

$p^{+}\to n^{0}+W^{+}\to n^{0}+(e^{+}+\nu _{e})$

$n^{0}\to p^{+}+W^{-}\to p^{+}+(e^{-}+{\bar {\nu }}_{e})$

Estas dos reacciones se producen mediante interacción débil y es por que son menos probables que las dos anteriores. Sin embargo, cuando hay un exceso de protones al emitir alguno de ellos un bosón W⁺ este es más difícilmente reabsorbido por los neutrones, ya que la probabilidad de absorción depende del número de neutrones, y antes de ser reabsorbido por un neutrón el bosón puede decaer en un positrón y un neutrino. Análogamente un exceso de neutrones dificulta la reabsorción del bosón W^- que al desintegrarse antes de ser reabsorbido da lugar a un electrón y un antineutrino. Es decir, cuando el número de protones o neutrones se aleja de la proporción óptima las reacciones alternativas menos probables tienen más posibilidades de darse y es por eso que la desintegración beta se da en núcleos con una proporción descompesada de neutrones y protones.

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.