Qué es la Desintegración Beta – Radioactividad Beta – Definición

La desintegración beta o desintegración β representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de la partícula beta. La desintegración beta se rige por la interacción débil. Dosimetría de radiación

La desintegración beta o desintegración β representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de la partícula beta. Esta transición ( β  decaimiento ) puede ser caracterizado como:

Beta Decay - Beta Radioactivity - definición

Si un núcleo emite una partícula beta, pierde un electrón (o positrón). En este caso, el número de masa del núcleo hijo sigue siendo el mismo, pero el núcleo hijo formará un elemento diferente.

Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma . Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. Existen las siguientes formas de desintegración beta:

  • Decadencia beta negativa – Decadencia de electrones. En la descomposición de electrones, un núcleo rico en neutrones emite un electrón de alta energía (β  partículas). Los electrones están cargados negativamente de partículas casi sin masa Debido a la ley de conservación de la carga eléctrica, la carga nuclear debe aumentar en una unidad. En este caso, el proceso puede ser representado por: 
  • Decaimiento Beta Positivo – Positron Decay. En la descomposición de positrones, un núcleo rico en protones emite un positrón (los positrones son antipartículas de electrones y tienen la misma masa que los electrones pero carga eléctrica positiva), y por lo tanto reduce la carga nuclear en una unidad. En este caso, el proceso puede representarse mediante: Una aniquilación ocurre cuando un positrón de baja energía colisiona con un electrón de baja energía.
  • Decadencia beta inversa: captura de electrones . La captura de electrones , conocida también como desintegración beta inversa, a veces se incluye como un tipo de desintegración beta, porque el proceso nuclear básico, mediado por la interacción débil, es el mismo. En este proceso, un núcleo rico en protones también puede reducir su carga nuclear en una unidad al absorber un electrón atómico. 

La emisión de electrones fue uno de los primeros fenómenos de descomposición observados. El proceso inverso, la captura de electrones , fue observado por primera vez por Luis Álvarez, en vanadio 48. Lo informó en un artículo de 1937 en Physical Review.

Deterioro de uranio 238.
La cadena de desintegración de uranio 238 comprende desintegraciones alfa y beta.

En un reactor nuclear ocurre especialmente la desintegración β, porque la característica común de los productos de fisión es un exceso de neutrones (ver Estabilidad nuclear ). Un fragmento de fisión inestable con el exceso de neutrones sufre desintegración β, donde el neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico . Un neutrón libre también sufre este tipo de descomposición. Un neutrón libre se descompondrá con una vida media de aproximadamente 611 segundos (10.3 minutos) en un protón, un electrón y un antineutrino (la contrapartida antimateria del neutrino , una partícula sin carga y poca o ninguna masa).

Teoría de la descomposición beta: interacción débil

La desintegración beta se rige por la interacción débil . Durante una desintegración beta de los dos abajo quarks se transforma en un quark arriba emitiendo un W  Higgs (se lleva una carga negativa). El W  Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso, en el que un neutrino interactúa con un neutrón.

teoría de la desintegración beta - interacción débil

Como se puede ver en la figura, la interacción débil cambia un sabor de quark a otro. Tenga en cuenta que, el modelo estándar cuenta seis sabores de quarks y seis sabores de leptones. La interacción débil es el único proceso en el que un quark puede cambiar a otro quark, o un leptón a otro leptón (cambio de sabor). Ni la interacción fuerte ni electromagnéticapermitir el cambio de sabor. Este hecho es crucial en muchas desintegraciones de partículas nucleares. En el proceso de fusión, que, por ejemplo, alimenta al Sol, dos protones interactúan a través de la fuerza débil para formar un núcleo de deuterio, que reacciona aún más para generar helio. Sin la interacción débil, el diprotón se descompondría en dos protones no unidos de hidrógeno-1 a través de la emisión de protones. Como resultado, el sol no ardería sin él ya que la interacción débil causa la transmutación p -> n.

A diferencia de la desintegración alfa , ni la partícula beta ni su neutrino asociado existen dentro del núcleo antes de la desintegración beta, sino que se crean en el proceso de desintegración. Mediante este proceso, los átomos inestables obtienen una relación más estable de protones a neutrones. La probabilidad de descomposición de un nucleido debido a beta y otras formas de descomposición está determinada por su energía de unión nuclear. Para que la emisión de electrones o positrones sea energéticamente posible, la liberación de energía (ver más abajo) o el valor Q debe ser positivo.

Espectro de energía de la decadencia beta

Tanto en  la desintegración alfa  como en la  gamma , la partícula resultante (partícula alfa  o  fotón ) tiene una  distribución de energía estrecha , ya que la partícula transporta la energía de la diferencia entre los estados nucleares inicial y final. Por ejemplo, en caso de alfa decaimiento, cuando un núcleo padre se descompone espontáneamente para producir un núcleo hijo y una partícula alfa, la suma de la masa de los dos productos no bastante igual a la masa del núcleo original (véase  la misa Defecto ) . Como resultado de la ley de conservación de la energía, esta diferencia aparece en la forma de la  energía cinética de la partícula alfa.. Dado que las mismas partículas aparecen como productos en cada descomposición de un núcleo principal particular, la diferencia de masa siempre debe  ser la misma , y la energía cinética  de las partículas alfa también debe ser siempre la misma. En otras palabras, el haz de partículas alfa debe ser  monoenergético . 

Se esperaba que las mismas consideraciones serían válidas para un núcleo padre que se descomponga en un núcleo hijo y  una partícula beta . Debido a que solo se observó la desintegración beta del electrón y el núcleo hijo de retroceso, inicialmente se supuso que el proceso era  un proceso de dos cuerpos , muy similar a la desintegración alfa. Parecería razonable suponer que las partículas beta formarían también un  haz monoenergético .

Para demostrar la energética de la desintegración beta de dos cuerpos, considere la desintegración beta en el cual se emite un electrón y el núcleo padre está en reposo,  onservation de la energía  requiere:

conservación-de-energía-beta-descomposición

Como el electrón es una partícula mucho más liviana, se esperaba que se llevaría la mayor parte de la energía liberada, lo que tendría un valor único  e- .

Espectro de energía de la desintegración beta
La forma de esta curva de energía depende de qué fracción de la energía de reacción (valor Q, la cantidad de energía liberada por la reacción) es transportada por el electrón o el neutrino.

Pero la realidad era diferente . Sin embargo, el espectro de partículas beta medido por Lise Meitner y Otto Hahn en 1911 y por Jean Danysz en 1913 mostró múltiples líneas sobre un fondo difuso. Además, prácticamente todas las partículas beta emitidas tienen energías inferiores a las predichas por la conservación de energía en las desintegraciones de dos cuerpos. Los electrones emitidos en  la desintegración beta tienen un  espectro continuo en lugar de discreto que parece contradecir la conservación de la energía, bajo el supuesto actual de que la desintegración beta es la simple emisión de un electrón desde un núcleo. Cuando esto se observó por primera vez,  parecía amenazar la supervivencia de una de las leyes de conservación más importantes en física .

Para dar cuenta de esta liberación de energía,  Pauli propuso  (en 1931) que se emitiera en el proceso de descomposición  otra partícula , más tarde nombrada por Fermi el  neutrino . Estaba claro, esta partícula debe ser altamente penetrante y que la conservación de la carga eléctrica requiere que el neutrino sea eléctricamente neutro. Esto explicaría por qué fue tan difícil detectar esta partícula. El término neutrino proviene del italiano que significa «pequeño neutral» y los neutrinos se denotan con la letra griega  ν (nu) . En el proceso de desintegración beta, el neutrino transporta la energía faltante y también en este proceso la ley de  conservación de la energía sigue siendo válida .

Leyes de conservación en la decadencia beta

Al analizar las reacciones nucleares , aplicamos las muchas leyes de conservación . Las reacciones nucleares están sujetas a las leyes de conservación clásicas para carga, momento, momento angular y energía  (incluidas las energías en reposo). Las leyes de conservación adicionales, no previstas por la física clásica, son:

Algunas de estas leyes se obedecen en todas las circunstancias, otras no. Hemos aceptado la conservación de la energía y el impulso. En todos los ejemplos dados, suponemos que el número de protones y el número de neutrones se conservan por separado. Encontraremos circunstancias y condiciones en las cuales esta regla no es cierta. Cuando consideramos reacciones nucleares no relativistas, es esencialmente cierto. Sin embargo, cuando consideramos las energías nucleares relativistas o las que involucran interacciones débiles, encontraremos que estos principios deben extenderse.

Algunos principios de conservación han surgido de consideraciones teóricas, otros son solo relaciones empíricas. No obstante, cualquier reacción no expresamente prohibida por las leyes de conservación generalmente ocurrirá, aunque sea a un ritmo lento. Esta expectativa se basa en la mecánica cuántica. A menos que la barrera entre los estados inicial y final sea infinitamente alta, siempre hay una probabilidad distinta de cero de que un sistema haga la transición entre ellos.

Para analizar las reacciones no relativistas, es suficiente tener en cuenta cuatro de las leyes fundamentales que rigen estas reacciones.

  1. Conservación de nucleones . El número total de nucleones antes y después de una reacción es el mismo.
  2. Conservación de carga . La suma de las cargas en todas las partículas antes y después de una reacción es la misma.
  3. Conservación del impulso . El impulso total de las partículas que interactúan antes y después de una reacción es el mismo.
  4. Conservación de energía . La energía, incluida la energía en masa en reposo, se conserva en reacciones nucleares.

Referencia: Lamarsh, John R. Introducción a la ingeniería nuclear 2da Edición

Decaimiento Beta – Valor Q

En física nuclear y de partículas, la energía de las reacciones nucleares está determinada por el valor Q de esa reacción. El valor Q de la reacción se define como la diferencia entre la suma de las masas en reposo de los reactivos iniciales y la suma de las masas de los productos finales , en unidades de energía (generalmente en MeV).

Considere una reacción típica, en la cual el proyectil a y el objetivo A dan lugar a dos productos, B y b. Esto también se puede expresar en la notación que hemos utilizado hasta ahora, a + A → B + b , o incluso en una notación más compacta, A (a, b) B .

Ver también: E = mc2

El valor Q de esta reacción viene dado por:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Cuando se describe la desintegración beta (reacción sin proyectil), el núcleo desintegrante generalmente se conoce como el núcleo padre y el núcleo que queda después del evento como el núcleo hijo. La emisión de una partícula beta, ya sea un electrón, β  o un positrón, β + , cambia el número atómico del núcleo sin afectar su número de masa. La masa total en reposo del núcleo hijo y de la radiación nuclear liberada en una desintegración beta, m Hija + m Radiación , siempre es menor que la del núcleo padre, m padre .

La diferencia masa-energía,

Q = [m padre – (m Hija + m Radiación )] c 2

aparece como la energía de desintegración, liberada en el proceso. Por ejemplo, el valor Q de la desintegración beta típica es:

desintegración beta - valor q

En el proceso de desintegración beta, se emite un electrón o un positrón. Esta emisión se acompaña de la emisión de antineutrino (desintegración β) o neutrino (desintegración β +), que comparte la energía y el impulso de la desintegración. La emisión beta tiene un espectro característico. Este espectro característico es causado por el hecho de que se emite un neutrino o un antineutrino con emisión de partículas beta. La forma de esta curva de energía depende de qué fracción de la energía de reacción ( valor Q -la cantidad de energía liberada por la reacción) es transportada por la partícula masiva. Por lo tanto, las partículas beta pueden emitirse con cualquier energía cinética que varía de 0 a Q. Después de una desintegración alfa o beta, el núcleo hijo a menudo queda en un estado de energía excitado. Para estabilizarse, posteriormente emite fotones de alta energía, rayos γ.

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