Desintegració beta

Decaiguda β^- d'un núcleu. S'ilustra cóm un dels neutrons es convertix en un protón al mateix temps que emet un electró (β^-) i un antineutrino electrònic.

La desintegració beta, emissió beta o decaiguda beta és un procés per mig del qual un nucleido o núcleido inestable emet una partícula beta (un electró o positrón) per a compensar la relació de neutrons i protones del núcleu atòmic. Esta desintegració viola la paritat.

Quan esta relació és inestable, alguns neutrons es convertixen en protones, o viceversa. Com a resultat d'este decaiguda, cada neutró emet una partícula beta i un antineutrino electrònic o un neutrino electrònic.

La partícula beta pot ser un electró, en una emissió beta menys (β^–), o un positrón, en una emissió beta més (β⁺). La diferència fonamental entre els electrons (i^–) o els positrones (i⁺) corrents i les seues corresponents partícules beta (β^– o β⁺) és l'orige nuclear d'estes últimes: una partícula beta no és un electró ordinari desacoplado d'un orbital atòmic.

En este tipo de desintegració, la suma del número de neutrons i de protones, o número másico, permaneix estable, ya que la cantitat de neutrons disminuïx (o aumenta si es tracta d'una emissió β⁺) en una unitat, mentres que la cantitat de protones aumenta (o disminuïx) també en una unitat. El resultat de la decaiguda beta és un núcleu en que l'excés de neutrons o de protones s'ha corregit en dos unitats i per tant resulta més estable.

La desintegració beta és una conseqüència de la força dèbil, que es caracterisa per temps de desintegració relativament llarcs. Els nucleones es componen de quark ups i quark downs, i la força dèbil permet a un quark canviar el seu sabor per mig de l'emissió d'un bosón W que conduïx a la creació d'un parell electró/antineutrino o positrón/neutrino. Per eixemple, un neutró, compost per dos cuarks down i un cuark up, decau en un protón compost per un cuark down i dos cuarks up.

La captura d'electrons s'inclou a voltes com un tipo de desintegració beta, perque el procés nuclear bàsic, mediat per la força dèbil, és el mateix. En la captura d'electrons, un electró atòmic intern és capturat per un protón en el núcleu, transformant-ho en un neutró, i es llibera un neutrino electrònic.

Descripció

Els dos tipos de desintegració beta es coneixen com a beta menys i beta més. En la desintegració beta menys (β^-), un neutró es convertix en protón, i el procés crea un electró i un antineutrino electrònic; mentres que en la desintegració beta més (β⁺), un protón es convertix en neutró i el procés crea un positrón i un neutrino electrònic. La desintegració β⁺ també es coneix com emissió de positrones.

La desintegració beta conserva un número quàntic conegut com número leptónico, o el número d'electrons i els seus neutrinos associats (atres leptones són les partícules muón i tau). Estes partícules tenen número leptónico +1, mentres que els seus antipartículas tenen número leptónico -1. ya que un protón o un neutró tenen número leptónico zero, la desintegració β⁺ (un positrón, o antielectrón) deu anar acompanyada d'un neutrino electró, mentres que la desintegració β^- (un electró) deu anar acompanyada d'un antineutrino electró.

Un eixemple d'emissió d'electrons (desintegració β^-) és la desintegració del carbono-14 en nitrogen-14 en una vida mija d'uns 5730 anys:

Plantilla:Nucleido → Plantilla:Nucleido + electró i^- + ν- _i

En esta forma de desintegració, l'element original es convertix en un nou element químic en un procés conegut com transmutació nuclear. Este nou element té un número másico invariable A, pero un número atómico Z que aumenta en un. Com en totes les desintegracions nuclears, l'element que es desintegra (en este cas Plantilla:Nucleido) es coneix com nucleido pare, mentres que l'element resultant (en este cas Plantilla:Nucleido) es coneix com nucleido fill.

Un atre eixemple és la desintegració de l'hidrogen-3 (triti) en heli-3 en una vida mija d'uns 12,3 anys:

Plantilla:Nucleido → Plantilla:Nucleido + electró i^- + ν-_i

Un eixemple d'emissió de positrones (desintegració β⁺) és la desintegració de magnesi-23 en sodi-23 en una vida mija d'uns 11,3 s:

Plantilla:Nucleido → Plantilla:Nucleido + positrón i⁺ + ν_i

La desintegració β⁺ també produïx una transmutació nuclear, en la que l'element resultant té un número atómico que disminuïx en un.

Un espectre beta, mostrant una típica divisió d'energia entre l'electró i el antineutrino

L'espectre beta, o distribució dels valors d'energia de les partícules beta, és continu. L'energia total del procés de desintegració es dividix entre l'electró, el antineutrino i el nucleido en reculada. En la figura de la dreta es mostra un eixemple d'un electró en una energia de 0,40 MeV procedent de la desintegració beta de ²¹⁰Bi. En este eixemple, l'energia total de desintegració és d'1,16 MeV, per lo que el antineutrino té l'energia restant: 1,16 MeV - 0,40 MeV = 0,76 MeV. Un electró en l'extrem dret de la curva tindria la màxima energia cinètica possible, en lo que l'energia del neutrino seria només la seua chicoteta massa en repòs.

Història

Descobriment i caracterisació inicial

La radiactivitat va ser descoberta en 1896 per Henri Becquerel en l'urani, i posteriorment observada per Marie i Pierre Curie en el tori i en els nous elements poloni i ràdio. En 1899, Ernest Rutherford va separar les emissions radiactives en dos tipos: alfa i beta (ara beta menys), basant-se en la penetració dels objectes i la capacitat de causar ionisació. Els rajos alfa podien ser detinguts per fines làmines de paper o alumini, mentres que els rajos beta podien penetrar varis milímetros d'alumini. En 1900, Paul Villard va identificar un tipo de radiació encara més penetrant, que Rutherford va identificar com un tipo fonamentalment nou en 1903 i va denominar rajos gamma. Alfa, beta i gamma són les tres primeres lletres del alfabet grec.

En 1900, Becquerel va medir la relació massa carrega (m/i) de les partícules beta per mig del método de J.J. Thomson utilisat per a estudiar els rajos catódicos i identificar l'electró. Va trobar que m/i per a una partícula beta és el mateix que per a l'electró de Thomson, i per lo tant va sugerir que la partícula beta és de fet un electró.

En 1901, Rutherford i Frederick Soddy varen demostrar que la radiactivitat alfa i beta implica la transmutació d'àtoms en àtoms d'atres elements químics. En 1913, en acabant de que es conegueren els productes de més desintegracions radiactives, Soddy i Kazimierz Fajans varen propondre independentment la seua llei de desplaçament radiactiu, que establix que l'emissió beta (és dir, Plantilla:SubatomicParticle) d'un element produïx un atre element un lloc a la dreta en la taula periòdica, mentres que l'emissió alfa produïx un element dos llocs a l'esquerra.

Neutrinos

L'estudi de la desintegració beta va proporcionar la primera prova física de l'existència del neutrino. Tant en la desintegració alfa com en la gamma, la partícula alfa o gamma resultant té una distribució energètica estreta, ya que la partícula transporta l'energia procedent de la diferència entre els estats nuclears inicial i final. No obstant, la distribució d'energia cinètica, o espectre, de les partícules beta medida per Lise Meitner i Otto Hahn en 1911 i per Jean Danysz en 1913 mostrava múltiples llínees sobre un fondo difuso. Estes medicions varen oferir el primer indici de que les partícules beta tenen un espectre continu. En 1914, James Chadwick va utilisar un espectrómetro magnètic en un dels nous d'Hans Geiger per a realisar medicions més precises que varen demostrar que l'espectre era continu. La distribució de les energies de les partícules beta estava en aparent contradicció en la llei de conservació de l'energia. Si la desintegració beta fora simplement emissió d'electrons, com se suponia llavors, l'energia de l'electró emés deuria tindre un valor concret i ben definit. No obstant, en el cas de la desintegració beta, l'àmplia distribució d'energies observada sugeria que l'energia es pert en el procés de desintegració beta. Este espectre va ser desconcertante durant molts anys.

Un segon problema està relacionat en la conservació del moment angular. Els espectres de banda molecular varen mostrar que l'espin nuclear del nitrogen-14 és 1 (és dir, igual a la constant reduïda de Planck) i, més generalment, que l'espin és integral per a núcleus de número másico parell i semi-integral per a núcleus de número másico impar. Açò va ser explicat posteriorment pel modele protón-neutró del núcleu.La desintegració beta deixa el número másico inalterado, per lo que el canvi d'espin nuclear deu ser un número entero. No obstant, l'espin de l'electró és 1/2, per lo que el moment angular no es conservaria si la desintegració beta fora simplement emissió d'electrons.

De 1920 a 1927, Charles Drummond Ellis (junt en Chadwick i els seus colegues) varen establir que l'espectre de desintegració beta és continu. En 1933, Ellis i Nevill Mott varen obtindre proves sòlides de que l'espectre beta té un llímit superior efectiu en energia. Niels Bohr havia sugerit que l'espectre beta podria explicar-se si la conservació de l'energia fora certa només en un sentit estadístic, per lo que este principi podria violar-se en qualsevol desintegració donada. No obstant, el llímit superior en les energies beta determinat per Ellis i Mott va descartar eixa noció. Ara, el problema de cóm donar conte de la variabilitat de l'energia en els productes de desintegració beta coneguts, aixina com de la conservació del moment i del moment angular en el procés, es va agudisar.

En una famosa carta escrita en 1930, Wolfgang Pauli va intentar resoldre l'enigma de l'energia de les partícules beta sugerint que, ademés d'electrons i protones, els núcleus atòmics també contenien una partícula neutra extremadament llaugera, a la que va cridar neutró. Va sugerir que este "neutró" també s'emetia durant la desintegració beta (lo que explicava l'energia, el moment i el moment angular que faltaven), pero encara no s'havia observat. En 1931, Enrico Fermi va rebatejar el "neutró" de Pauli en el nom de "neutrino" ('menut neutre' en italià). En 1933, Fermi va publicar la seua emblemàtica Teoria de l'interacció de Fermi per a la desintegració beta, en la que aplicava els principis de la mecànica quàntica a les partícules de matèria, suponent que podien crear-se i aniquilar-se, de la mateixa manera que els quants de llum en les transicions atòmiques. Aixina, segons Fermi, els neutrinos es creen en el procés de desintegració beta, en lloc d'estar continguts en el núcleu; lo mateixa ocorre en els electrons. L'interacció dels neutrinos en la matèria era tan dèbil que la seua detecció va resultar ser un greu desafiu experimental. Es varen obtindre més proves indirectes de l'existència del neutrino observant la reculada dels núcleus que emetien dita partícula despuix d'absorbir un electró. Els neutrinos varen ser finalment detectats directament en 1956 pels físics nortamericans Clyde Cowan i Frederick Regnes en l'Experiment del neutrino. Les propietats dels neutrinos eren (en algunes modificacions menors) les predites per Pauli i Fermi.

Vore també

• Desintegració alfa.
• Desintegració gamma.