O que é o Decaimento Beta – Beta Radioatividade – Definição

Decaimento beta ou decaimento β representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão da partícula beta. Essa transição ( β ^– decaimento ) pode ser caracterizada como:

Se um núcleo emite uma partícula beta, perde um elétron (ou pósitron). Nesse caso, o número de massa do núcleo filha permanece o mesmo, mas o núcleo filha formará um elemento diferente.

As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos tipos de núcleos radioativos, como o potássio-40. As partículas beta têm maior alcance de penetração do que as partículas alfa, mas ainda muito menos que os raios gama . As partículas beta emitidas são uma forma de radiação ionizante, também conhecida como raios beta. Existem as seguintes formas de decaimento beta:

• Decaimento beta negativo – Decaimento de elétrons. No decaimento de elétrons, um núcleo rico em nêutrons emite um elétron de alta energia (β ^– partícula). Os elétrons são carregados negativamente com partículas quase sem massa. Devido à lei de conservação da carga elétrica, a carga nuclear deve aumentar em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por: 
• Decaimento beta positivo – Decaimento de pósitrons. No decaimento de pósitrons, um núcleo rico em prótons emite um pósitron (os pósitrons são antipartículas de elétrons e têm a mesma massa que os elétrons, mas com carga elétrica positiva) e, assim, reduzem a carga nuclear em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por: Uma aniquilação ocorre quando um pósitron de baixa energia colide com um elétron de baixa energia.
• Decaimento Beta Inverso – Captura de Elétrons . A captura de elétrons , também conhecida como decaimento beta inverso, às vezes é incluída como um tipo de decaimento beta, porque o processo nuclear básico, mediado pela interação fraca, é o mesmo. Nesse processo, um núcleo rico em prótons também pode reduzir sua carga nuclear em uma unidade absorvendo um elétron atômico. 

A emissão de elétrons foi um dos primeiros fenômenos de decaimento observados. O processo inverso, captura de elétrons , foi observado pela primeira vez por Luis Alvarez, em vanádio 48. Ele o relatou em um artigo de 1937 na Physical Review.

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 . Um nêutron livre também sofre esse tipo de decaimento. Um nêutron livre decairá com uma meia-vida de cerca de 611 segundos (10,3 minutos) em um próton, um elétron e um antineutrino (a contraparte do neutrino em antimatéria , uma partícula sem carga e com pouca ou nenhuma massa).

Teoria da deterioração beta – interação fraca

A deterioração beta é governada pela interação fraca . Durante um decaimento beta de dois para baixo quarks muda para um quark-se emitindo um W ^– Higgs (transporta para longe uma carga negativa). O W ^– Higgs depois decai para uma partícula beta e um antineutrino . Esse processo é equivalente ao processo no qual um neutrino interage com um nêutron.

Como pode ser visto na figura, a interação fraca muda um sabor de quark para outro. Observe que, o Modelo Padrão conta seis sabores de quarks e seis sabores de leptons. A interação fraca é o único processo no qual um quark pode mudar para outro, ou um lepton para outro lepton (mudança de sabor). Nem a forte interação nem eletromagnéticapermitir mudança de sabor. Este fato é crucial em muitos decaimentos de partículas nucleares. No processo de fusão, que, por exemplo, alimenta o Sol, dois prótons interagem através da força fraca para formar um núcleo de deutério, que reage ainda mais para gerar hélio. Sem a interação fraca, o diproton decairia novamente em dois prótons não ligados a hidrogênio-1 através da emissão de prótons. Como resultado, o sol não queimaria sem ele, pois a interação fraca causa a transmutação p -> n.

Ao contrário do decaimento alfa , nem a partícula beta nem seu neutrino associado existem dentro do núcleo antes do decaimento beta, mas são criados no processo de decaimento. Por esse processo, átomos instáveis ​​obtêm uma proporção mais estável de prótons e nêutrons. A probabilidade de decaimento de um nuclídeo devido a beta e outras formas de decaimento é determinada por sua energia de ligação nuclear. Para que a emissão de elétrons ou pósitrons seja energeticamente possível, a liberação de energia (veja abaixo) ou o valor Q deve ser positivo.

Exemplo de Decaimento Beta

Espectro de energia da deterioração beta

Tanto no  decaimento alfa  quanto no  gama , a partícula resultante (partícula alfa  ou  fóton ) tem uma  distribuição de energia estreita , uma vez que a partícula carrega a energia da diferença entre os estados nucleares inicial e final. Por exemplo, no caso de decaimento alfa, quando um núcleo pai se decompõe espontaneamente para produzir um núcleo filha e uma partícula alfa, a soma da massa dos dois produtos não é igual à massa do núcleo original (consulte  Defeito em massa ) . Como resultado da lei de conservação de energia, essa diferença aparece na forma da  energia cinética da partícula alfa. Como as mesmas partículas aparecem como produtos a cada quebra de um núcleo pai em particular, a diferença de massa deve  sempre ser a mesma e a energia cinética  das partículas alfa também deve sempre ser a mesma. Em outras palavras, o feixe de partículas alfa deve ser  monoenergético . 

Esperava-se que as mesmas considerações fossem válidas para um núcleo pai se decompor em um núcleo filha e  uma partícula beta . Como apenas o elétron e o núcleo da filha que recuava foram observados com decaimento beta, o processo foi inicialmente  assumido como sendo um processo de dois corpos , muito parecido com o decaimento alfa. Parece razoável supor que as partículas beta também formem um  feixe monoenergético .

Para demonstrar a energética do corpo de dois decaimento beta, considerar o decaimento beta no qual um electrão é emitido e o núcleo pai está em repouso,  c onservation de energia  requer:

Como o elétron é uma partícula muito mais leve, esperava-se que ele levasse a maior parte da energia liberada, o que teria um valor único  T _e- .

Mas a realidade era diferente . O espectro de partículas beta medido por Lise Meitner e Otto Hahn em 1911 e por Jean Danysz em 1913 mostrou várias linhas em um fundo difuso, no entanto. Além disso, virtualmente todas as partículas beta emitidas possuem energia abaixo da prevista pela conservação de energia em decaimentos de dois corpos. Os elétrons emitidos no  decaimento beta têm um  espectro contínuo, em vez de discreto, que parece contradizer a conservação de energia, sob a suposição atual de que o decaimento beta é a simples emissão de elétrons de um núcleo. Quando isso foi observado pela primeira vez,  parecia ameaçar a sobrevivência de uma das leis de conservação mais importantes da física !

Para explicar essa liberação de energia,  Pauli propôs  (em 1931) que no processo de decaimento fosse emitida  outra partícula , mais tarde nomeada por Fermi como  neutrino . Ficou claro que essa partícula deve ser altamente penetrante e que a conservação da carga elétrica exige que o neutrino seja eletricamente neutro. Isso explicaria por que era tão difícil detectar essa partícula. O termo neutrino vem do italiano que significa “pouco neutro” e os neutrinos são denotados pela letra grega  ν (nu) . No processo de decaimento beta, o neutrino carrega a energia que falta e também nesse processo a lei de  conservação de energia permanece válida .

Leis de Conservação em Decaimento Beta

Ao analisar as reações nucleares , aplicamos as muitas leis de conservação . As reações nucleares estão sujeitas às leis clássicas de conservação de carga, momento, momento angular e energia  (incluindo energias de repouso). Leis de conservação adicionais, não previstas pela física clássica, são:

• Lei de Conservação do Número Lepton
• Lei de Conservação do Número Baryon
• Lei de Conservação de Carga Elétrica

Certas leis são obedecidas em todas as circunstâncias, outras não. Aceitamos a conservação de energia e momento. Em todos os exemplos dados, assumimos que o número de prótons e o número de nêutrons são conservados separadamente. Encontraremos circunstâncias e condições nas quais essa regra não é verdadeira. Onde estamos considerando reações nucleares não relativísticas, é essencialmente verdade. No entanto, quando estivermos considerando energias nucleares relativísticas ou aquelas que envolvem interações fracas, descobriremos que esses princípios devem ser estendidos.

Alguns princípios de conservação surgiram de considerações teóricas, outros são apenas relações empíricas. Não obstante, qualquer reação que não seja expressamente proibida pelas leis de conservação geralmente ocorrerá, se talvez a um ritmo lento. Essa expectativa é baseada na mecânica quântica. A menos que a barreira entre os estados inicial e final seja infinitamente alta, sempre há uma probabilidade diferente de zero de que um sistema faça a transição entre eles.

Para fins de análise de reações não relativísticas, basta observar quatro das leis fundamentais que governam essas reações.

1. Conservação de núcleons . O número total de núcleons antes e depois de uma reação é o mesmo.
2. Conservação de carga . A soma das cargas em todas as partículas antes e depois de uma reação é a mesma
3. Conservação do momento . O momento total das partículas que interagem antes e depois de uma reação é o mesmo.
4. Conservação de energia . A energia, incluindo a energia restante da massa, é conservada em reações nucleares.

Referência: Lamarsh, John R. Introdução à engenharia nuclear 2ª edição

Deterioração beta – valor Q

Na física nuclear e de partículas, a energia das reações nucleares é determinada pelo valor Q dessa reação. O valor Q da reação é definido como a diferença entre a soma das massas em repouso dos reagentes iniciais e a soma das massas dos produtos finais , em unidades de energia (geralmente em MeV).

Considere uma reação típica, na qual o projétil ae o alvo A dão lugar a dois produtos, B e b. Isto também pode ser expresso na notação que foi utilizado até agora, a + A → B + b , ou mesmo em uma notação mais compacta, A (a, b) B .

Veja também: E = mc2

O valor Q desta reação é dado por:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c ²

Ao descrever o decaimento beta (reação sem projétil), o núcleo desintegrante é geralmente chamado de núcleo pai e o núcleo remanescente após o evento como núcleo filho. A emissão de uma partícula beta, um elétron, β ^– ou um pósitron, β ⁺ , altera o número atômico do núcleo sem afetar seu número de massa. A massa total de repouso do núcleo filha e da radiação nuclear liberada em uma desintegração beta, m _Filha + m _Radiação , é sempre menor que a do núcleo pai, m _pai .

A diferença massa-energia,

Q = [m _pai – (m _Filha + m _Radiação )] c ²

aparece como a energia de desintegração liberada no processo. Por exemplo, o valor Q do decaimento beta típico é:

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. As partículas beta podem, portanto, ser emitidas com qualquer energia cinética que varia de 0 a Q. Após uma deterioração alfa ou beta, o núcleo da filha geralmente fica em um estado de energia excitado. Para se estabilizar, emite subseqüentemente fótons de alta energia, raios γ.