¿Qué es la desintegración o decaimiento beta?

Ilustración de materia, plasma y universo

En física nuclear, el decaimiento beta es un tipo de desintegración de partículas en la que se emite radiación beta. Debe su nombre a la clasificación que hizo Emest Rutherford en 1899 de las emisiones radiactivas en alfa y beta, según la capacidad de penetración en los objetos y de la capacidad de ionización.

La radiación beta tiene mayor gama de penetración y mayor capacidad de ionización que la radiación alfa, pero menos que la radiación gamma. Hoy sabemos que la radiación beta está formada por electrones o por positrones de alta energía junto a neutrinos. El estudio del decaimiento beta fue, de hecho, la primera evidencia física de la existencia de neutrinos.

Definición de decaimiento beta

El decaimiento beta se define como la desintegración nuclear radiactiva en la que se emiten partículas beta y neutrinos. Por cada partícula beta se emite un neutrino asociado. Los partículas beta a gran velocidad forman la radiación beta.

La partícula beta puede ser un electrón (e) o un positrón (e+). Y el neutrino puede ser un antineutrino electrónico o un neutrino electrónico. Si la partícula beta es un electrón, este se acompañará de un antineutrino electrónico. Si la partícula beta es un positrón, se acompañará de un neutrino electrónico.

Esto da lugar a dos tipos de decaimiento beta, una en la que se emite un electrón+antineutrino (β), y otra en la que se emite un positrón+neutrino (β+):

  1. Decaimiento β (beta menos o beta negativo): emite un electrón y un antineutrino electrónico. Se produce en núcleos con exceso de neutrones. Un neutrón se transforma en un protón que queda integrado en el núcleo, y en un electrón y un antineutrino electrónico que son emitidos en forma de radiactividad. El decaimiento β produce un núcleo cuyo número atómico se incrementa en 1.
  2. Decaimiento β+ (beta plus o beta positivo): emite un positrón y un neutrino electrónico. Se produce en núcleos con exceso de protones. Es menos habitual que el decaimiento β. Un protón se transforma en neutrón y se emite un positrón y un neutrino electrónico. El decaimiento β+ produce un núcleo cuyo número atómico se reduce en 1.

Descripción y fundamento

El decaimiento beta es un fenómeno radiactivo de desintegración nuclear en el que un átomo inestable adquiere un ratio entre protones y neutrones más estable. Puede ser por transformación de un neutrón en un protón, o por la transformación de un protón en un neutrón. En esta transformación se emiten partículas beta, ya sean electrones (decaimiento β) o positrones (decaimiento β+).

El decaimiento beta es consecuencia de la fuerza nuclear débil, la cual produce tiempos de desintegración relativamente largos.

Cada nucleón (protón o neutrón) está formado por diferentes combinaciones de quarks tipo u (up) y quarks tipo d (down). En concreto, el protón está formado por dos quarks up y uno down, mientras que el neutrón está formado por dos quark down y uno up.

Quarks de un protón y un neutrón
Quarks de un protón y un neutrón

La fuerza nuclear débil permite que un quark pueda cambiar de tipo u a tipo d mediante el intercambiando de un bosón W (responsable de la fuerza nuclear débil) y la creación de un par electrón/antineutrino o de un par positrón/neutrino.

En otras palabras, el decaimiento beta se produce por el cambio de tipo de quarks en un neutrón o en un protón, de modo que uno se transforma en otro y se emite radiación.

En el decaimiento beta se conserva el número másico (neutrones más protones) pero no el número atómico (número de protones). El núcleo resultante del decaimiento beta tiene un número atómico diferente al de partida y, por tanto, es un elemento diferente al de partida.

Esta transformación de un elemento en otro se conoce como transmutación nuclear. Por ejemplo, la desintegración beta del carbono 14 produce nitrógeno 14 en un proceso que tiene un vida media de 5730 años.

14C614N7 + e + antineutrino

Decaimiento β

En el decaimiento beta menos o beta negativo, un neutrón se transforma en un protón y emite un electrón y un antineutrino electrónico:

n → p + e + antineutrino

El decaimiento beta ocurre de forma espontánea en neutrones libres. Si ocurre dentro de un núcleo atómico, dará como resultado la transmutación al siguiente elemento en número atómico, ya que el número atómico se incrementa en una unidad (hay un protón más):

ZXAZYA+1 + e + antineutrino

Donde X es el elemento de partida e Y el elemento final; Z es el número másico y A es el número atómico.

Ejemplo: el cesio 137 decae a Bario 137

137Cs55137Ba56 + e + antineutrino

A nivel fundamental, el proceso se produce por conversión de un quark d (down), de carga negativa (−1/3 e), en un quark u (up), de carga positiva (+2/3 e), y la emisión de un bosón W. El bosón W posteriormente se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico.

Decaimiento β+ (beta positivo)

El decaimiento β+, beta positivo o beta plus, es menos común que el decaimiento beta negativo. También se conoce como emisión de positrones. Entre otras aplicaciones, la emisión de positrones se utiliza en tomografía.

En el decaimiento beta positivo, un protón se transforma en un neutrón y emite un positrón y un neutrino electrónico.

p → n + e+ + neutrino

Pero a diferencia del decaimiento beta negativo que se daba de forma espontánea en neutrones libres, este proceso no se produce en protones libres. Cuando se produce en protones que forman parte de un núcleo, el elemento resultante tendrá el número atómico reducido en una unidad (hay un protón menos):

ZXAZYA-1 + e+ + neutrino

Ejemplo: el Sodio 22 decae a Neón 22

22Na1122Ne10 + e+ + neutrino

En el proceso de desintegración beta positivo el bosón intercambiado es tipo W+.

Captura electrónica

La captura electrónica es descrita frecuentemente como otro tipo de desintegración beta. En todos los casos en los que el decaimiento beta positivo está energéticamente permitido, también lo está la captura electrónica.

El resultado es similar al decaimiento beta positivo y el número atómico se reduce en una unidad (hay un protón menos), pero en lugar de emitirse un positrón y un neutrino, solo se emite un neutrino:

ZXA + e+ZYA-1 + neutrino

En los núcleos ricos en protones con una diferencia energética entre el estado inicial y final menor a 2mec2, el decaimiento beta positivo no es posible. Estos núcleos solo puede desintegrarse mediante captura electrónica.

Si el electrón proviene del propio átomo, de la llamada capa K, entonces se conoce como captura K. Los electrones de la capa K son los que tienen más probabilidades de interaccionar con el núcleo.

Ejemplo: el sodio 22 puede decaer en neón 22 por decaimiento beta positivo, pero también lo puede hacer por captura electrónica:

22Na1122Ne10 + e+ + neutrino (decaimiento β+)

22Na11 + e+22Ne10 + neutrino (captura electrónica)

Ejemplo: el Kriptón 81 decae a Bromo 81 por captura electrónica

81Kr36 + e81Br35 + neutrino