
En física nuclear , la desintegración beta (β) es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula beta ( electrón o positrón energético rápido ), transformándose en un isóbaro de ese nucleido . Por ejemplo, la desintegración beta de un neutrón lo transforma en un protón mediante la emisión de un electrón acompañado de un antineutrino ; o, a la inversa, un protón se convierte en un neutrón mediante la emisión de un positrón con un neutrino en lo que se denomina emisión de positrones . Ni la partícula beta ni su (anti)neutrino asociado existen dentro del núcleo antes de la desintegración beta, sino que se crean durante el proceso de desintegración. Mediante este proceso, los átomos inestables obtienen una proporción más estable de protones a neutrones . La probabilidad de que un nucleido se desintegre debido a la desintegración beta y otras formas de desintegración está determinada por su energía de enlace nuclear . Las energías de enlace de todos los nucleidos existentes forman lo que se denomina banda nuclear o valle de estabilidad . [ 1 ] Para que la emisión de electrones o positrones sea energéticamente posible, la liberación de energía o valor Q debe ser positivo.
La desintegración beta es consecuencia de la fuerza débil , que se caracteriza por tiempos de desintegración relativamente largos. Los nucleones están compuestos de quarks up y quarks down , [ 2 ] y la fuerza débil permite que un quark cambie su sabor mediante un bosón W virtual , lo que da lugar a la creación de un par electrón/antineutrino o positrón/neutrino. Por ejemplo, un neutrón, compuesto por dos quarks down y un quark up, se desintegra en un protón compuesto por un quark down y dos quarks up.
La captura electrónica a veces se incluye como un tipo de desintegración beta, [ 3 ] porque el proceso nuclear básico, mediado por la fuerza débil, es el mismo. En la captura electrónica, un electrón interno del átomo es capturado por un protón en el núcleo, transformándolo en un neutrón, y se libera un neutrino electrónico .
Descripción
Los dos tipos de desintegración beta se conocen como beta menos y beta más . En la desintegración beta menos (β − ), un neutrón se convierte en un protón, y el proceso crea un electrón y un antineutrino electrónico ; mientras que en la desintegración beta más (β + ), un protón se convierte en un neutrón, y el proceso crea un positrón y un neutrino electrónico. La desintegración β + también se conoce como emisión de positrones . [ 4 ]
La desintegración beta conserva un número cuántico conocido como número leptónico , o el número de electrones y sus neutrinos asociados (otros leptones son las partículas muón y tau ). Estas partículas tienen número leptónico +1, mientras que sus antipartículas tienen número leptónico −1. Dado que un protón o un neutrón tiene número leptónico cero, la desintegración β + (un positrón o antielectrón) debe ir acompañada de un neutrino electrónico, mientras que la desintegración β− ( un electrón) debe ir acompañada de un antineutrino electrónico.
Un ejemplo de emisión de electrones (desintegración β − ) es la desintegración del carbono-14 en nitrógeno-14 con una vida media de unos 5700 años:
- 14 6 C→ 14 7 N+e −+ νmi
En esta forma de desintegración, el elemento original se convierte en un nuevo elemento químico en un proceso conocido como transmutación nuclear . Este nuevo elemento tiene un número másico A inalterado , pero un número atómico Z que aumenta en uno. Como en todas las desintegraciones nucleares, el elemento que se desintegra (en este caso 14 6 C ) se conoce como nucleido padre, mientras que el elemento resultante (en este caso 14 7 N ) se conoce como nucleido hijo .
Otro ejemplo es la desintegración del hidrógeno-3 ( tritio ) en helio-3 , con una vida media de aproximadamente 12,3 años:
- 3 1 H→ 3 2 He+e −+ νmi
Un ejemplo de emisión de positrones (desintegración β + ) es la desintegración del magnesio-23 en sodio-23 con una vida media de aproximadamente 11,3 s:
- 23 12 Mg→ 23 11 Na+e ++ νmi
La desintegración β + también produce una transmutación nuclear, cuyo elemento hijo tiene un número atómico disminuido en una unidad.

El espectro beta, o distribución de valores de energía para las partículas beta, es continuo. La energía total del proceso de desintegración se divide entre el electrón, el antineutrino y el nucleido de retroceso. En la figura de la derecha, se muestra un ejemplo de un electrón con una energía de 0,40 MeV proveniente de la desintegración beta del 210Bi . En este ejemplo, la energía total de desintegración es de 1,16 MeV, por lo que el antineutrino tiene la energía restante: 1,16 MeV − 0,40 MeV = 0,76 MeV . Un electrón en el extremo derecho de la curva tendría la máxima energía cinética posible, quedando la energía del neutrino reducida únicamente a su pequeña masa en reposo.
Historia
Descubrimiento y caracterización inicial
La radiactividad fue descubierta en 1896 por Henri Becquerel en el uranio , y posteriormente observada por Marie y Pierre Curie en el torio y en los elementos recién descubiertos polonio y radio . [ 5 ] : 54 En 1899, Ernest Rutherford separó las emisiones radiactivas en dos tipos: alfa y beta (ahora beta menos), basándose en la penetración de objetos y la capacidad de causar ionización. Los rayos alfa podían ser detenidos por láminas delgadas de papel o aluminio, mientras que los rayos beta podían penetrar varios milímetros de aluminio. En 1900, Paul Villard identificó un tipo de radiación aún más penetrante, que Rutherford denominó rayos gamma . [ 6 ]
En 1900, Becquerel midió la relación masa-carga ( m / e ) de las partículas beta mediante el método de J.J. Thomson, utilizado para estudiar los rayos catódicos e identificar el electrón. Descubrió que la relación m / e de una partícula beta es la misma que la del electrón de Thomson, y por lo tanto sugirió que la partícula beta es, de hecho, un electrón. [ 7 ]
En 1901, Rutherford y Frederick Soddy demostraron que la radiactividad alfa y beta implica la transmutación de átomos en átomos de otros elementos químicos. En 1913, después de que se conocieron los productos de más desintegraciones radiactivas, Soddy y Kazimierz Fajans propusieron independientemente su ley de desplazamiento radiactivo , que establece que beta (es decir, β −La emisión alfa de un elemento produce otro elemento un lugar a la derecha en la tabla periódica , mientras que la emisión alfa produce un elemento dos lugares a la izquierda. [ 8 ] [ 9 ]
Neutrinos
El estudio de la desintegración beta proporcionó la primera evidencia física de la existencia del neutrino . Tanto en la desintegración alfa como en la gamma, la partícula alfa o gamma resultante tiene una distribución de energía estrecha , ya que la partícula lleva la energía de la diferencia entre los estados nucleares inicial y final. Sin embargo, la distribución de energía cinética, o espectro, de partículas beta medida por Lise Meitner y Otto Hahn en 1911 y por Jean Danysz en 1913 mostró múltiples líneas sobre un fondo difuso. Estas mediciones ofrecieron el primer indicio de que las partículas beta tienen un espectro continuo. [ 10 ] En 1914, James Chadwick utilizó un espectrómetro magnético con uno de los nuevos contadores de Hans Geiger para realizar mediciones más precisas que mostraron que el espectro era continuo. [ 10 ] [ 11 ] Los resultados, que parecían estar en contradicción con la ley de conservación de la energía , fueron validados mediante mediciones calorimétricas en 1929 por Lise Meitner y Wilhelm Orthmann . [ 12 ] Si la desintegración beta fuera simplemente emisión de electrones, como se suponía en ese momento, entonces la energía del electrón emitido debería tener un valor particular y bien definido. [ 13 ] Sin embargo, para la desintegración beta, los electrones observados tenían una amplia distribución de energías. [ 14 ] : 160
Un segundo problema está relacionado con la conservación del momento angular . Los espectros de bandas moleculares mostraron que el espín nuclear del nitrógeno-14 es 1 (es decir, igual a la constante de Planck reducida ) y, más generalmente, que el espín es entero para núcleos de número másico par y semi-entero para núcleos de número másico impar. Esto fue explicado posteriormente por el modelo protón-neutrón del núcleo . [ 13 ] La desintegración beta deja el número másico sin cambios, por lo que el cambio de espín nuclear debe ser un entero. Sin embargo, el espín del electrón es 1/2, por lo que el momento angular no se conservaría si la desintegración beta fuera simplemente emisión de electrones.
Entre 1920 y 1927, Charles Drummond Ellis (junto con Chadwick y sus colegas) estableció que el espectro de desintegración beta es continuo. En 1933, Ellis y Nevill Mott obtuvieron pruebas contundentes de que el espectro beta tiene un límite superior efectivo en energía. Niels Bohr había sugerido que el espectro beta podría explicarse si la conservación de la energía fuera válida solo en un sentido estadístico, por lo que este principio podría violarse en cualquier desintegración dada. [ 13 ] : 27 Sin embargo, el límite superior en energías beta determinado por Ellis y Mott descartó esa idea. Ahora, el problema de cómo explicar la variabilidad de la energía en los productos de desintegración beta conocidos, así como la conservación del momento y el momento angular en el proceso, se volvió acuciante.
En una famosa carta escrita en 1930, Wolfgang Pauli intentó resolver el enigma energético de las partículas beta sugiriendo que, además de electrones y protones, los núcleos atómicos también contenían una partícula neutra extremadamente ligera, a la que denominó neutrón. Sugirió que este "neutrón" también se emitía durante la desintegración beta (lo que explicaría la energía, el momento y el momento angular que faltaban), pero que simplemente aún no se había observado. En 1931, Enrico Fermi renombró el "neutrón" de Pauli como "neutrino" ("pequeño neutro" en italiano). En 1933, Fermi publicó su trascendental teoría sobre la desintegración beta , en la que aplicó los principios de la mecánica cuántica a las partículas de materia, suponiendo que estas pueden crearse y aniquilarse, al igual que los cuantos de luz en las transiciones atómicas. Así, según Fermi, los neutrinos se crean en el proceso de desintegración beta, en lugar de estar contenidos en el núcleo; lo mismo ocurre con los electrones. La interacción del neutrino con la materia era tan débil que su detección resultó un desafío experimental considerable. Se obtuvo evidencia indirecta adicional de la existencia del neutrino al observar el retroceso de los núcleos que emitían dicha partícula tras absorber un electrón. Los neutrinos fueron finalmente detectados directamente en 1956 por los físicos estadounidenses Clyde Cowan y Frederick Reines en el experimento de neutrinos de Cowan-Reines . [ 15 ] Las propiedades de los neutrinos fueron (con algunas modificaciones menores) las predichas por Pauli y Fermi.
β + desintegración y captura de electrones
En 1934, Frédéric e Irène Joliot-Curie bombardearon aluminio con partículas alfa para efectuar la reacción nuclear 4 2 He + 27 13 Al → 30 15 P + 1 0 n , y observaron que el isótopo producto 30 15 P emite un positrón idéntico a los que se encuentran en los rayos cósmicos (descubiertos por Carl David Anderson en 1932). Este fue el primer ejemplo de β + desintegración ( emisión de positrones ), a la que denominaron radiactividad artificial ya que el 30 15 P es un nucleido de vida corta que no existe en la naturaleza. En reconocimiento a su descubrimiento, la pareja recibió el Premio Nobel de Química en 1935. [ 16 ]
La teoría de la captura electrónica fue discutida por primera vez por Gian-Carlo Wick en un artículo de 1934, y luego desarrollada por Hideki Yukawa y otros. La captura de electrones K fue observada por primera vez en 1937 por Luis Álvarez , en el nucleido 48V . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Álvarez continuó estudiando la captura electrónica en 67Ga y otros nucleidos. [ 17 ] [ 20 ] [ 21 ]
No conservación de la paridad
En 1956, Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang observaron que no había evidencia de que la paridad se conservara en las interacciones débiles, por lo que postularon que esta simetría podría no ser preservada por la fuerza débil. Diseñaron un experimento para probar la conservación de la paridad en el laboratorio. [ 22 ] Más tarde ese mismo año, Chien-Shiung Wu y sus colaboradores demostraron experimentalmente que una emisión beta asimétrica de 60Co demostró que la paridad no se conserva en la desintegración beta. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Este sorprendente resultado revocó suposiciones arraigadas sobre la paridad y la fuerza débil. En reconocimiento a su trabajo teórico, Lee y Yang recibieron el Premio Nobel de Física en 1957. [ 26 ] Sin embargo, Wu, que era mujer, no recibió el Premio Nobel. [ 27 ]
desintegración β −

En β − desintegración, la interacción débil convierte un núcleo atómico en un núcleo con número atómico aumentado en uno, mientras emite un electrón ( e −) y un antineutrino electrónico ( νe ).β − La desintegración generalmente ocurre en núcleos ricos en neutrones. [ 30 ] La ecuación genérica es:
- A Z X→ A Z +1 X′+e −+ νe [ 1 ]
donde A y Z son el número másico y el número atómico del núcleo que se desintegra, y X y X′ son los elementos inicial y final, respectivamente.
Otro ejemplo es cuando el neutrón libre (10n ) se desintegra por β− desintegrarse en un protón ( p ):
- n → p + e −+ νe .
En el nivel fundamental (como se muestra en el diagrama de Feynman a la derecha), esto es causado por la conversión del quark abajo con carga negativa ( − 1 / 3 e ) al quark arriba con carga positiva ( + 2 / 3 e ), que es promovida por un W − virtual.bosón ; el W −El bosón posteriormente se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico:
- d → u + e −+ νe .
desintegración β +

En β + desintegración, o emisión de positrones, la interacción débil convierte un núcleo atómico en un núcleo con número atómico disminuido en uno, mientras emite un positrón ( e +) y un neutrino electrónico ( νe ).β + La desintegración generalmente ocurre en núcleos ricos en protones. La ecuación genérica es:
- A Z X→ A Z −1 X′+e ++ νe [ 1 ]
Esto puede considerarse como la desintegración de un protón dentro del núcleo en un neutrón:
- p → n + e ++ νe [ 1 ]
Sin embargo, β + La desintegración no puede ocurrir en un protón aislado porque requiere energía, debido a que la masa del neutrón es mayor que la masa del protón. β + La desintegración beta solo puede ocurrir dentro de los núcleos cuando el núcleo hijo tiene una energía de enlace mayor (y, por lo tanto, una energía total menor) que el núcleo madre. La diferencia entre estas energías se utiliza en la reacción de conversión de un protón en un neutrón, un positrón y un neutrino, y en la energía cinética de estas partículas. Este proceso es opuesto a la desintegración beta negativa, ya que la interacción débil convierte un protón en un neutrón al convertir un quark arriba en un quark abajo, lo que resulta en la emisión de un W +.o la absorción de un W −. Cuando un W +Se emite un bosón, que se desintegra en un positrón y un neutrino electrónico :
- u → d + e ++ νe .
Captura de electrones (captura K/captura L)

En todos los casos donde β + La desintegración (emisión de positrones) de un núcleo está permitida energéticamente, al igual que la captura electrónica . Este es un proceso durante el cual un núcleo captura uno de sus electrones atómicos, lo que resulta en la emisión de un neutrino.
- A Z X+e −→ A Z −1 X′ + νmi
La captura de un electrón libre está permitida, pero las condiciones físicas hacen que esto sea generalmente insignificante fuera de las estrellas. [ 31 ]
Un ejemplo de captura electrónica es uno de los modos de desintegración del criptón-81 en bromo-81 :
- 81 36 Kr+e −→ 81 35 Br + νmi
Todos los neutrinos emitidos tienen la misma energía. En núcleos ricos en protones donde la diferencia de energía entre los estados inicial y final es menor que 2 m e c 2 , β + La desintegración no es energéticamente posible, y la captura electrónica es el único modo de desintegración. [ 32 ]
Si el electrón capturado proviene de la capa electrónica más interna del átomo, llamada capa K, se denomina captura K. Si proviene de la segunda capa o capa L, el proceso se denomina captura L, y así sucesivamente, con etiquetas de niveles superiores que aumentan con el alfabeto. [ 33 ]
La captura electrónica es un proceso de desintegración competitivo (simultáneo) para todos los núcleos que pueden experimentar desintegración β + . Sin embargo, lo contrario no es cierto: la captura electrónica es el único tipo de desintegración permitida en nucleidos ricos en protones que no tienen energía suficiente para emitir un positrón y un neutrino. [ 32 ]
Transmutación nuclear

Si el protón o el neutrón forman parte de un núcleo atómico , los procesos de desintegración descritos anteriormente transforman un elemento químico en otro. Por ejemplo:
La desintegración beta no cambia el número ( A ) de nucleones en el núcleo, sino solo su carga Z. Por lo tanto , se puede introducir el conjunto de todos los nucleidos con el mismo A ; estos nucleidos isobáricos pueden transformarse entre sí mediante desintegración beta. Para un A dado , hay uno que es el más estable. Se dice que es beta estable porque presenta un mínimo local del exceso de masa : si dicho núcleo tiene números ( A , Z ) , los núcleos vecinos ( A , Z −1) y ( A , Z +1) tienen un exceso de masa mayor y pueden desintegrarse beta en ( A , Z ) , pero no al revés. Para todos los números de masa impares A , solo hay un isóbaro beta estable conocido. Para A par , hay hasta tres isóbaros beta estables diferentes conocidos experimentalmente; por ejemplo, 124 50 Sn , 124 52 Te y 124 54 Xe son todos beta estables. Se conocen alrededor de 350 nucleidos estables a la desintegración beta . [ 34 ]
Competencia entre los tipos de desintegración beta
Por lo general, los nucleidos inestables son claramente "ricos en neutrones" o "ricos en protones", experimentando los primeros desintegración beta y los segundos captura electrónica (o, más raramente, debido a los mayores requerimientos de energía, desintegración positrónica). Sin embargo, en algunos casos de radionucleidos con número impar de protones y neutrones, puede ser energéticamente favorable que el radionucleido se desintegre en un isóbaro con número par de protones y neutrones, ya sea mediante desintegración beta positiva o beta negativa. [ 35 ]
Tres tipos de desintegración beta en competencia se ilustran con el isótopo único 64 29 Cu (29 protones, 35 neutrones), que tiene una vida media de aproximadamente 12,7 horas. [ 34 ] Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón desapareado, por lo que cualquiera de los dos puede desintegrarse. [ 36 ] Este nucleido en particular tiene una probabilidad casi igual de sufrir desintegración por protones (por emisión de positrones , 18% o por captura electrónica , 43%; ambos forman 64Ni ) o desintegración de neutrones (por emisión de electrones, 39%; formando 64Zn ). [ 34 ] [ 36 ]
Estabilidad de los nucleidos que se producen de forma natural
La mayoría de los nucleidos que se encuentran de forma natural en la Tierra son estables beta. Los nucleidos que no son estables beta tienen vidas medias que van desde menos de un segundo hasta períodos de tiempo significativamente mayores que la edad del universo . Un ejemplo común de un isótopo de larga vida es el nucleido impar de protones e impar de neutrones 40 19 K , que experimenta los tres tipos de desintegración beta ( β −, β +y captura de electrones) con una vida media de1,248 × 10 9 años . [ 34 ]
Reglas de conservación para la desintegración beta
El número bariónico se conserva
dónde
- es el número de quarks constituyentes, y
- es el número de antiquarks constituyentes.
La desintegración beta simplemente transforma un neutrón en un protón o, en el caso de la desintegración beta positiva ( captura electrónica ), un protón en un neutrón, por lo que el número de quarks individuales no cambia. Solo cambia el sabor del barión, aquí denominado isospín .
Los quarks arriba y abajo tienen isospín total.y proyecciones de isospín
Todos los demás quarks tienen I = 0 .
En general
El número leptónico se conserva
Así, a todos los leptones se les ha asignado un valor de +1, a los antileptones un valor de -1 y a las partículas no leptónicas un valor de 0.
Momento angular
Para las desintegraciones permitidas, el momento angular orbital neto es cero, por lo que solo se consideran los números cuánticos de espín.
El electrón y el antineutrino son fermiones , objetos de espín 1/2, por lo tanto pueden acoplarse para formar un campo magnético total.(paralelo) o(antiparalelo).
Para las desintegraciones prohibidas, también debe tenerse en cuenta el momento angular orbital.
Liberación de energía
El valor Q se define como la energía total liberada en una desintegración nuclear determinada. En la desintegración beta, Q es, por lo tanto, también la suma de las energías cinéticas de la partícula beta emitida, el neutrino y el núcleo de retroceso. (Debido a la gran masa del núcleo en comparación con la de la partícula beta y el neutrino, la energía cinética del núcleo de retroceso generalmente puede despreciarse). Por consiguiente, las partículas beta pueden emitirse con cualquier energía cinética que va desde 0 hasta Q. [ 1 ] Un valor típico de Q es de alrededor de 1 MeV , pero puede variar desde unos pocos keV hasta unas pocas decenas de MeV.
Dado que la masa en reposo del electrón es de 511 keV, las partículas beta más energéticas son ultrarrelativistas , con velocidades muy cercanas a la de la luz . En el caso del 187 Re, la velocidad máxima de la partícula beta es solo el 9,8 % de la velocidad de la luz.
La siguiente tabla ofrece algunos ejemplos:
La desintegración β − del tritio se está utilizando en la búsqueda experimental KATRIN , que podría haber detectado neutrinos estériles . [ 37 ]
desintegración β −
Consideremos la ecuación genérica para la desintegración beta.
- A Z X→ A Z +1 X′+e −+ νe .
El valor Q para esta desintegración es
- ,
dóndees la masa del núcleo del átomo A Z X ,es la masa del electrón, yes la masa del antineutrino electrónico. En otras palabras, la energía total liberada es la energía de masa del núcleo inicial, menos la energía de masa del núcleo final, el electrón y el antineutrino. La masa del núcleo m N está relacionada con la masa atómica estándar m por Es decir, la masa atómica total es la masa del núcleo, más la masa de los electrones, menos la suma de todas las energías de enlace electrónico B i para el átomo. Esta ecuación se reordena para encontrar, yse encuentra de manera similar. Sustituyendo estas masas nucleares en la ecuación del valor Q , mientras se desprecia la masa del antineutrino casi cero y la diferencia en las energías de enlace de los electrones, que es muy pequeña para átomos de alto Z , tenemos Esta energía es transportada como energía cinética por el electrón y el antineutrino.
Debido a que la reacción solo se producirá cuando el valor Q sea positivo, la desintegración β − puede ocurrir cuando la masa del átomo A Z X es mayor que la masa del átomo A Z +1 X′ . [ 38 ]
desintegración β +
Las ecuaciones para la desintegración β + son similares, con la ecuación genérica
- A Z X→ A Z −1 X′+e ++ νmi
donación Sin embargo, en esta ecuación, las masas de los electrones no se cancelan y nos quedamos con
Debido a que la reacción solo se producirá cuando el valor Q sea positivo, la desintegración β + puede ocurrir cuando la masa del átomo A Z X excede la de A Z −1 X′ en al menos el doble de la masa del electrón. [ 38 ]
Captura de electrones
El cálculo análogo para la captura de electrones debe tener en cuenta la energía de enlace de los electrones. Esto se debe a que el átomo quedará en un estado excitado después de capturar el electrón, y la energía de enlace del electrón interno capturado es significativa. Utilizando la ecuación genérica para la captura de electrones
- A Z X+e −→ A Z −1 X′ + νmi
tenemos lo cual se simplifica a donde B n es la energía de enlace del electrón capturado.
Debido a que la energía de enlace del electrón es mucho menor que la masa del electrón, los núcleos que pueden sufrir desintegración β + también pueden sufrir captura electrónica, pero lo contrario no es cierto. [ 38 ]
espectro de emisión beta

La desintegración beta puede considerarse como una perturbación, tal como se describe en la mecánica cuántica, y por lo tanto se puede aplicar la regla de oro de Fermi . Esto conduce a una expresión para el espectro de energía cinética N ( T ) de las betas emitidas como sigue: [ 39 ] donde T es la energía cinética, C L es una función de forma que depende de la prohibición de la desintegración (es constante para las desintegraciones permitidas), F ( Z , T ) es la función de Fermi (ver más abajo) con Z la carga del núcleo del estado final, E = T + mc 2 es la energía total,es el momento, y Q es el valor Q de la desintegración. La energía cinética del neutrino emitido viene dada aproximadamente por Q menos la energía cinética del beta.
Como ejemplo, a la derecha se muestra el espectro de desintegración beta del 210 Bi (originalmente llamado RaE).
función de Fermi
La función de Fermi que aparece en la fórmula del espectro beta tiene en cuenta la atracción/repulsión de Coulomb entre la partícula beta emitida y el núcleo del estado final. Aproximando las funciones de onda asociadas a una simetría esférica, la función de Fermi se puede calcular analíticamente como: [ 40 ] donde p es el momento final, Γ la función Gamma y (si α es la constante de estructura fina y r N el radio del núcleo del estado final) ,(+ para electrones, − para positrones), y .
Para betas no relativistas ( Q ≪ m e c 2 ), esta expresión puede aproximarse mediante: [ 41 ]
En la literatura se pueden encontrar otras aproximaciones. [ 42 ] [ 43 ]
Trama de Kurie
Un diagrama de Kurie (también conocido como diagrama de Fermi-Kurie ) es un gráfico utilizado para estudiar la desintegración beta, desarrollado por Franz N. D. Kurie , en el que se representa la raíz cuadrada del número de partículas beta cuyo momento (o energía) se encuentra dentro de un rango estrecho, dividido por la función de Fermi, frente a la energía de la partícula beta. [ 44 ] [ 45 ] Es una línea recta para las transiciones permitidas y algunas transiciones prohibidas, de acuerdo con la teoría de la desintegración beta de Fermi. La intersección con el eje de energía (eje x) de un diagrama de Kurie corresponde a la energía máxima impartida al electrón/positrón (el valor Q de la desintegración ). Con un diagrama de Kurie se puede encontrar el límite de la masa efectiva de un neutrino. [ 46 ]
Helicidad (polarización) de los neutrinos, electrones y positrones emitidos en la desintegración beta.
Tras el descubrimiento de la no conservación de la paridad (véase § Historia ), se halló que, en la desintegración beta, los electrones se emiten mayoritariamente con helicidad negativa , es decir, se mueven, en términos sencillos, como tornillos levógiros introducidos en un material (tienen polarización longitudinal negativa ). [ 47 ] Por el contrario, los positrones tienen mayoritariamente helicidad positiva, es decir, se mueven como tornillos dextrógiros. Los neutrinos (emitidos en la desintegración de positrones) tienen helicidad negativa, mientras que los antineutrinos (emitidos en la desintegración de electrones) tienen helicidad positiva. [ 48 ]
Cuanto mayor sea la velocidad (energía) de las partículas, mayor será su polarización helicoidal ; esto refleja la selección de quiralidad absoluta en la desintegración del bosón W.
Tipos de transiciones de desintegración beta
Las desintegraciones beta se pueden clasificar según el momento angular ( valor L ) y el espín total ( valor S ) de la radiación emitida. Dado que el momento angular total debe conservarse, incluyendo el momento angular orbital y el de espín, la desintegración beta se produce mediante diversas transiciones de estado cuántico a diferentes estados de momento angular o espín nuclear, conocidas como transiciones de Fermi o de Gamow-Teller. Cuando las partículas de desintegración beta no poseen momento angular ( L = 0 ), la desintegración se considera permitida; de lo contrario, se considera prohibida.
Otros modos de desintegración, que son poco frecuentes, se conocen como desintegración por estado ligado y desintegración beta doble.
transiciones de Fermi
Una transición de Fermi es una desintegración beta en la que los espines del electrón (positrón) y el antineutrino (neutrino) emitidos se acoplan para formar un espín total . , lo que conlleva un cambio de momento angular.entre los estados inicial y final del núcleo (suponiendo una transición permitida). En el límite no relativista, la parte nuclear del operador para una transición de Fermi viene dada por conla constante de acoplamiento vectorial débil,los operadores de elevación y descenso de isospín , yrecorriendo todos los protones y neutrones del núcleo.
Transiciones Gamow-Teller
Una transición de Gamow-Teller es una desintegración beta en la que los espines del electrón (positrón) y el antineutrino (neutrino) emitidos se acoplan para formar un espín total . , lo que conlleva un cambio de momento angular.entre los estados inicial y final del núcleo (suponiendo una transición permitida). En este caso, la parte nuclear del operador viene dada por conla constante de acoplamiento axial-vector débil, ylas matrices de Pauli de espín , que pueden producir un cambio de espín en el nucleón en descomposición.
Transiciones prohibidas
Cuando L > 0 , la desintegración se denomina " prohibida ". Las reglas de selección nuclear requieren que los valores altos de L vayan acompañados de cambios en el espín nuclear ( J ) y la paridad ( π ). Las reglas de selección para las transiciones prohibidas L son: donde Δπ = 1 o −1 corresponde a ningún cambio de paridad o cambio de paridad, respectivamente. El caso especial de una transición entre estados análogos isobáricos, donde la estructura del estado final es muy similar a la estructura del estado inicial, se denomina "superpermitido" para la desintegración beta y se produce muy rápidamente. La siguiente tabla enumera los valores de ΔJ y Δπ para los primeros valores de L :
Desintegración β − de estado ligado
Una minoría muy pequeña de desintegraciones de neutrones libres (alrededor de cuatro por millón) son "desintegraciones de dos cuerpos": se producen el protón, el electrón y el antineutrino, pero el electrón no logra obtener la energía de 13,6 eV necesaria para escapar del protón y, por lo tanto, simplemente permanece ligado a él, como un átomo de hidrógeno neutro . [ 49 ] En este tipo de desintegración beta, en esencia, toda la energía de desintegración del neutrón es transportada por el antineutrino.
En el caso de átomos completamente ionizados (núcleos desnudos), es posible que los electrones no escapen del átomo y sean emitidos desde el núcleo hacia estados ligados atómicos de baja energía (orbitales). En teoría, esto puede ocurrir en átomos neutros, ya que la desintegración siempre genera un nuevo estado ligado, pero rara vez es apreciable.
Las desintegraciones β − de estado ligado fueron predichas por Daudel , Jean y Lecoin en 1947, [ 50 ] y el fenómeno en átomos completamente ionizados fue observado por primera vez para 163 Dy 66+ en 1992 por Jung et al. del Centro de Investigación de Iones Pesados de Darmstadt . Aunque el 163 Dy neutro es estable, el 163 Dy 66+ completamente ionizado experimenta una desintegración β − en las capas K y L con una vida media de 47 días. [ 51 ] El núcleo resultante – 163 Ho 66+ – es estable solo en este estado casi completamente ionizado y se desintegrará por captura electrónica de vuelta a 163 Dy en el estado neutro. Asimismo, aunque estable en estado neutro, el 205 Tl 81+ completamente ionizado experimenta una desintegración β − en estado ligado a 205 Pb 81+ con una vida media de291 +33 −27 días. [ 52 ] [ 53 ] Las vidas medias del 163 Ho neutro y del 205 Pb son respectivamente 4570 años y1,70 × 10 7 años.
El valor Q de la desintegración beta de estado ligado de un átomo altamente ionizado,está relacionado con el valor Qde la desintegración beta de átomos neutros por
dóndees la diferencia de todas las energías de ionización del elemento Z +1 y el elemento Z , yes la energía de enlace del electrón creado mediante la desintegración β − en el átomo hijo, dependiendo de la capa (K, L, ...) ocupada. En particular, para un átomo completamente ionizado, ya quesuele ser más grande que,suele ser más grande que.
Primera categoría: nucleidos con valor Q β c negativo pero valor Q β b positivo
Tras la discusión anterior, es posible que un nucleido estable a la desintegración β − (al ser negativo) puede ser inestable (siendo positivo) cuando está completamente (o altamente) ionizado. Teóricamente, esto sucede para los siguientes 12 nucleidos: 148 Eu, 163 Dy, 193 Ir, 194 Au, 202 Tl, 205 Tl, 213 Po, 215 At, 222 Rn [ n 1 ] , 244 Pu, 243 Am y 246 Bk. [ 57 ] [ 54 ] [ n 2 ] La siguiente tabla enumera las transiciones β − de estado ligado teóricamente posibles que son imposibles para átomos neutros.Los valores se obtienen de AME2020, [ 55 ] mientras que las energías de enlace electrónico se obtienen de NIST. [ 58 ] Véase (Ran y Wang, 2026) para más detalles. [ 54 ] Tenga en cuenta que las energías de ionización para átomos altamente ionizados son teóricas.
Segunda categoría: nucleidos con valor Q β c bajo positivo y valor Q β b mucho más alto.
Algunos otros nucleidos satisfacenpor lo que son teóricamente β − -inestables, pero suLos valores son muy bajos, por lo que la ionización completa acelera enormemente la desintegración β − ya queEl valor es mucho mayor. El 187 Re neutro sí experimenta desintegración β − , con una vida media4,12 × 10 10 años, [ 59 ] pero Bosch et al., también en Darmstadt, observaron que para 187 Re 75+ totalmente ionizado esto se acorta a solo 32,9 años. [ 60 ] El aumento en el valor Q de la desintegración beta generalmente significa que las vías de desintegración adicionales a algunos estados excitados del núcleo hijo se vuelven energéticamente permitidas. [ 54 ] Esto es exactamente lo que sucede en el caso de 187 Re: además del gran aumento en la energía de desintegración, 187 Re 75+ está energéticamente permitido para experimentar la desintegración β − al primer estado excitado en 187 Os 75+ , un proceso energéticamente no permitido para 187 Re natural. [ n 3 ] De manera similar, el 241 Pu neutro experimenta una desintegración β − con una vida media de 14,3 años, pero en su estado completamente ionizado la vida media de desintegración beta del 241 Pu 94+ disminuye a 4,2 días. [ 61 ] En comparación, la variación de las tasas de desintegración de otros procesos nucleares debido al entorno químico es inferior al 1 % .
Ejemplos teóricos de nucleidos en esta categoría conincluyen 187 Re, 194 Os, 210 Pb, 212 At, 227 Ac, 228 Ra, 241 Pu, 247 Cm, 250 Cm y 249 Bk. [ 54 ] La siguiente tabla enumera las transiciones β − de estado ligado teóricamente posibles para estos nucleidos, entre las cuales algunas transiciones son imposibles para átomos neutros.
Desintegración beta doble
Algunos núcleos pueden experimentar desintegración beta doble (2β), donde la carga del núcleo cambia en dos unidades. La desintegración beta doble es difícil de estudiar, ya que tiene una vida media extremadamente larga. En núcleos para los que son posibles tanto la desintegración β como la 2β, el proceso 2β, más raro, es prácticamente imposible de observar. Sin embargo, en núcleos donde la desintegración β está prohibida pero la 2β está permitida, el proceso puede observarse y se puede medir su vida media. [ 62 ] Por lo tanto, la 2β generalmente se estudia solo para núcleos beta estables. Al igual que la desintegración beta simple, la desintegración beta doble no cambia A ; por lo tanto, al menos uno de los nucleidos con un A dado debe ser estable con respecto a la desintegración beta simple y doble.
La desintegración 2β "ordinaria" produce la emisión de dos electrones y dos antineutrinos. Si los neutrinos son partículas de Majorana (es decir, son sus propias antipartículas), entonces se producirá una desintegración conocida como desintegración beta doble sin neutrinos . La mayoría de los físicos de neutrinos creen que la desintegración 2β sin neutrinos nunca se ha observado. [ 62 ]
Véase también
- emisores beta comunes
- Neutrino
- Betavoltaica
- Radiación de partículas
- radionúclido
- La iluminación de tritio es una forma de iluminación fluorescente alimentada por la desintegración beta.
- Efecto pandemonio
- Espectroscopia de absorción total
Notas
- ↑ Las determinaciones de masa actuales no pueden determinar de manera decisiva si es energéticamente posible que el 222 Rn experimente una desintegración β − (la energía de desintegración dada en AME2020 es (−6 ± 8) keV), [ 55 ] [ 56 ] pero en cualquier caso su-valor es mucho más alto que suvalor -, y por lo tanto se predice que β − se acelerará enormemente para 222 Rn 86+ totalmente ionizado ; [ 57 ] ver la siguiente subsección.
- ↑ Las desintegraciones beta de estado ligado para 148 Eu y 244 Pu implican transiciones prohibidas de quinto orden, por lo que deberían ser despreciables. [ 54 ]
- ↑ "Nótese también que la desintegración del 187 Re desnudo está dominada por la transición no única al primer estado excitado del 187 Os, ya que la desintegración al estado fundamental tiene un elemento de matriz mucho menor." [ 60 ]
- ↑ En la tabla se omite un nivel de 227 Th, cuya existencia es incierta debido a mediciones inconsistentes de energía ( 86,81 keV de la desintegración alfa de 231 U y 81,94 keV de la captura electrónica de 227 Pa). El nivel de 149,99 keV también se omite ya queEstaría demasiado cerca de cero como para poder determinar su signo, ya que el margen de error sería demasiado grande.
Referencias
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Enlaces externos
Gráfico en vivo de nucleidos – OIEA con filtro por tipo de desintegración- Simulación de desintegración betaArchivado el 22/12/2018 en Wayback Machine.
- Física nuclear
- Radioactividad
- Interacción débil