O que é a partícula beta – definição

As partículas / radiação beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade. As partículas beta são uma forma de radiação ionizante também conhecida como raios beta. Dosimetria de Radiação

Descrição Beta Particles

As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos fragmentos de fissão ou por certos núcleos radioativos primordiais, como o potássio-40. As partículas beta são uma forma de radiação ionizante também conhecida como raios beta. A produção de partículas beta é denominada decaimento beta . Existem duas formas de decaimento beta, o decaimento de elétrons (decaimento β) e o decaimento de pósitrons (β + decaimento) . Em um reator nuclear, ocorre especialmente o decaimento β, porque a característica comum dos produtos de fissão é um excesso de nêutrons ( consulte Estabilidade nuclear).) Um fragmento de fissão instável com excesso de nêutrons sofre β-decaimento, onde o nêutron é convertido em próton, elétron e antineutrino .

decaimento beta
Decaimento beta do núcleo C-14.

 

Espectro de partículas beta

Espectro de energia do decaimento beta
A forma dessa curva de energia depende de qual fração da energia da reação (valor Q – a quantidade de energia liberada pela reação) é transportada pelo elétron ou neutrino.

No processo de decaimento beta, um elétron ou um pósitron é emitido. Essa emissão é acompanhada pela emissão de antineutrino (β-decaimento) ou neutrino (β + decaimento), que compartilha energia e momento do decaimento. A emissão beta tem um espectro característico. Esse espectro característico é causado pelo fato de que um neutrino ou um antineutrino é emitido com a emissão de partículas beta. A forma dessa curva de energia depende de qual fração da energia da reação ( valor Q – a quantidade de energia liberada pela reação) é transportada pela partícula maciça. Partículas beta, portanto, pode ser emitida com qualquer energia cinética que varia de 0 a Q . Em 1934, Enrico Fermi havia desenvolvido umTeoria de Fermi do decaimento beta , que previa o formato dessa curva de energia.

Natureza da interação da radiação beta com a matéria

Resumo dos tipos de interações:

Comparação de partículas em uma câmara de nuvens.
Comparação de partículas em uma câmara de nuvens. Fonte: wikipedia.org

A natureza de uma interação de uma radiação beta com a matéria é diferente da radiação alfa , apesar do fato de que as partículas beta também são partículas carregadas. Em comparação com as partículas alfa, as partículas beta têm massa muito menor e atingem principalmente energias relativísticas . Sua massa é igual à massa dos elétrons orbitais com os quais eles estão interagindo e, diferentemente da partícula alfa, uma fração muito maior de sua energia cinética pode ser perdida em uma única interação. Como as partículas beta atingem principalmente as energias relativísticas, a fórmula não- relativística de Bethe não pode ser usada. Para elétrons de alta energia, uma expressão semelhante também foi derivada por Bethedescrever a perda de energia específica devido à excitação e ionização (as “perdas colisionais”).

Fórmula Bethe modificada para partículas beta.
Fórmula Bethe modificada para partículas beta.

Além disso, as partículas beta podem interagir via interação elétron-nuclear (dispersão elástica dos núcleos), o que pode alterar significativamente a direção da partícula beta . Portanto, o caminho deles não é tão direto. As partículas beta seguem um caminho muito em zigue-zague através do material absorvente; esse caminho resultante da partícula é maior que a penetração linear (faixa) no material.

As partículas beta também diferem de outras partículas carregadas pesadas na fração de energia perdida pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Existe outro mecanismo pelo qual as partículas beta perdem energia através da produção de radiação eletromagnética. Quando a partícula beta se move mais rápido que a velocidade da luz (velocidade de fase) no material, gera uma onda de choque de radiação eletromagnética conhecida como radiação de Cherenkov .

Os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria quando são energéticos . Mas quando o pósitron vem para descansar , ele interage com um elétron de carga negativa, resultando na aniquilação do par elétron-pósitron.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung
Quando um elétron é acelerado ou desacelerado, ele emite radiação e, portanto, perde energia e diminui a velocidade. Essa radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung.

O bremsstrahlung  é a radiação eletromagnética produzida pela aceleração ou desaceleração de uma partícula carregada quando desviada por campos magnéticos (um elétron pelo campo magnético do acelerador de partículas) ou outra partícula carregada (um elétron por um núcleo atômico). O nome bremsstrahlung vem do alemão. A tradução literal é ‘radiação de frenagem’ . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia.

O bremsstrahlung é uma das possíveis interações de partículas carregadas de luz com a matéria (especialmente com altos números atômicos ).

As duas ocorrências mais comuns de bremsstrahlung são:

  • Desaceleração da partícula carregada. Quando partículas carregadas entram em um material, elas são desaceleradas pelo campo elétrico dos núcleos atômicos e elétrons atômicos.
  • Aceleração de partículas carregadas. Quando partículas carregadas ultra-relativísticas se movem através de campos magnéticos, elas são forçadas a se mover ao longo de um caminho curvo. Como a direção do movimento está mudando continuamente, eles também estão acelerando e emitindo bremsstrahlung; nesse caso, é chamada de radiação síncrotron .
Bremsstrahlung vs. Ionização
Perda de energia fracionária por comprimento de radiação no chumbo em
função da energia do elétron ou do pósitron. Fonte: http://pdg.lbl.gov/

Como o bremsstrahlung é muito mais forte para partículas mais leves, esse efeito é muito mais importante para partículas beta do que para prótons, partículas alfa e núcleos carregados pesados ​​( fragmentos de fissão ). Esse efeito pode ser desprezado em energias de partículas abaixo de 1 MeV , porque a perda de energia devido à bremsstrahlung é muito pequena. A perda de radiação começa a se tornar importante apenas em energias de partículas bem acima da energia mínima de ionização. Nas energias relativísticas, a razão entre a taxa de perda por bremsstrahlung e a taxa de perda por ionização é aproximadamente proporcional ao produto da energia cinética da partícula e ao número atômico do absorvedor.

A seção transversal de bremsstrahlung depende principalmente destes termos:

Fórmula de seção transversal de Bremsstrahlung

Portanto, a razão entre os poderes de parada de bremsstrahlung e as perdas de ionização é:

Bremsstrahlung / Ionização perde proporção

, onde E é a energia cinética da partícula (elétron), Z é o número atômico médio do material e E ‘é uma constante de proporcionalidade; É 800 MeV . A energia cinética na qual a perda de energia por bremsstrahlung é igual à perda de energia por ionização e excitação (perdas colisionais) é chamada de energia crítica . Outro parâmetro é o comprimento da radiação , definido como a distância pela qual a energia elétrica do incidente é reduzida em um fator 1 / e (0,37) devido apenas às perdas de radiação. A tabela a seguir fornece alguns valores típicos:

Tabela de energias críticas e comprimentos de radiação

Radiação Cherenkov

A radiação cherenkov é uma radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada (como um elétron) se move através de um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da fase da luz nesse meio . É semelhante à onda de proa produzida por um barco que viaja mais rápido que a velocidade das ondas de água. A radiação Cherenkov ocorre apenas se a velocidade da partícula for maior que a velocidade da fase da luz no material. Mesmo em altas energias, a energia perdida pela radiação Cherenkov é muito menor que a dos outros mecanismos (colisões, bremsstrahlung). É nomeado após o físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , que dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1958 comIlya Frank e Igor Tamm pela descoberta da radiação Cherenkov, realizada em 1934.

radiação cherenkov
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Cherenkov Radiação no núcleo do reator.
Cherenkov Radiação no núcleo do reator.

A radiação Cherenkov pode ser usada para detectar partículas carregadas de alta energia (especialmente partículas beta). Nos reatores nucleares ou em um reservatório de combustível nuclear usado, partículas beta (elétrons de alta energia) são liberadas à medida que os fragmentos de fissão decaem. O brilho é visível também após a reação em cadeia parar (no reator). A radiação cherenkov pode caracterizar a radioatividade remanescente do combustível nuclear usado, portanto, pode ser usada para medir a queima de combustível.

Interações pósitrons

Produção de pares na câmaraAs forças coulombianas que constituem o principal mecanismo de perda de energia para os elétrons estão presentes tanto para a carga positiva quanto para a carga negativa na partícula e constituem o principal mecanismo de perda de energia também para os pósitrons. Qualquer que seja a interação, envolva uma força repulsiva ou atraente entre a partícula incidente e o elétron orbital (ou núcleo atômico), o impulso e a transferência de energia para partículas de igual massa são praticamente os mesmos . Portanto, os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria quando são energéticos . A trilha de pósitrons no material é semelhante à trilha de elétrons. Até a perda de energia e o alcance específicos são os mesmos para as energias iniciais iguais.

No final de seu caminho , os pósitrons diferem significativamente dos elétrons. Quando um pósitron (partícula de antimatéria) pára, ele interage com um elétron (partícula de matéria), resultando na aniquilação de ambas as partículas e na conversão completa de sua massa de repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV direcionados de maneira oposta (fótons).

Aniquilação de Positrons

aniquilação de pósitrons
Quando um pósitron (partícula de antimatéria) pára, ele interage com um elétron, resultando na aniquilação de ambas as partículas e na conversão completa de sua massa de repouso em energia pura na forma de dois fótons de 0,511 MeV direcionados de maneira oposta.

A aniquilação elétron-pósitron ocorre quando um elétron carregado negativamente e um pósitron carregado positivamente colidem. Quando um elétron de baixa energia aniquila um pósitron de baixa energia (antipartícula de elétron), ele pode produzir apenas dois ou mais fótons (raios gama). É proibida a produção de apenas um fóton por causa da conservação do momento linear e da energia total. A produção de outra partícula também é proibida, porque ambas as partículas (elétron-pósitron) juntas não carregam energia de massa suficiente para produzir partículas mais pesadas. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, resultando na conversão completa de sua massa em repouso em energia pura (de acordo com a  fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de 0,511 MeV gama dirigidos de maneira oposta (fótons).

 + e + → γ + γ (2x 0,511 MeV)

Esse processo deve atender a várias leis de conservação, incluindo:

  • Conservação de carga elétrica. A carga líquida antes e depois é zero.
  • Conservação do momento linear e energia total. T
  • Conservação do momento angular.

Blindagem de partículas beta – elétrons

A radiação beta ioniza a matéria mais fraca que a radiação alfa . Por outro lado, os intervalos de partículas beta são mais longos e dependem fortemente da energia cinética inicial da partícula. Alguns têm energia suficiente para se preocupar com a exposição externa. Uma partícula beta de 1 MeV pode viajar aproximadamente 3,5 metros no ar. Tais partículas beta podem penetrar no corpo e depositar a dose nas estruturas internas próximas à superfície. Portanto, é necessária uma blindagem maior do que no caso de radiação alfa.

Materiais com baixo número atômico Z são apropriados como blindagens de partículas beta. Nos materiais com alto teor de Z, a bremsstrahlung (radiação secundária – raios X) está associada. Essa radiação é criada durante a desaceleração das partículas beta, enquanto elas viajam em um meio muito denso. Roupas pesadas, papelão grosso ou chapa fina de alumínio fornecerão proteção contra radiação beta e impedirão a produção do bremsstrahlung.

Veja também calculadora: atividade beta para dose 

Blindagem da radiação alfa e beta

Blindagem de Partículas Beta – Positrons

As forças coulombianas que constituem o principal mecanismo de perda de energia para os elétrons estão presentes tanto para a carga positiva quanto para a carga negativa na partícula e constituem o principal mecanismo de perda de energia também para os pósitrons. Qualquer que seja a interação, envolva uma força repulsiva ou atraente entre a partícula incidente e o elétron orbital (ou núcleo atômico), o impulso e a transferência de energia para partículas de igual massa  são praticamente os mesmos . Portanto, os pósitrons interagem de maneira semelhante com a matéria  quando são energéticos . A trilha de pósitrons no material é semelhante à trilha de elétrons. Até a perda de energia e o alcance específicos são os mesmos para as energias iniciais iguais.

No final de seu caminho , os pósitrons diferem significativamente dos elétrons. Quando um pósitron (partícula de antimatéria) pára, ele interage com um elétron (partícula de matéria), resultando na aniquilação de ambas as partículas e na conversão completa de sua massa de repouso em energia pura (de acordo com a fórmula E = mc 2 ) na forma de dois raios gama de  0,511 MeV direcionados de maneira oposta (fótons).

Portanto, qualquer blindagem de pósitron deve incluir também uma blindagem de raios gama. A fim de minimizar a bremsstrahlung, uma proteção contra radiação de várias camadas é apropriada. O material da primeira camada deve atender aos requisitos para blindagem negativa da radiação beta . A primeira camada desse escudo pode ser, por exemplo, uma fina placa de alumínio (para proteger pósitrons), enquanto a segunda camada desse escudo pode ser um material denso, como chumbo ou urânio empobrecido.

Veja também: Blindagem de radiação gama

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.net ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.