Na física nuclear, o decaimento beta é um tipo de decaimento de partículas em que a radiação beta é emitida . Seu nome deve-se à classificação feita por Emest Rutherford em 1899 das emissões radioativas em alfa e beta, de acordo com sua capacidade de penetração nos objetos e de ionização.

A radiação beta tem maior alcance de penetração e maior capacidade de ionização do que a radiação alfa, mas menor do que a radiação gama. Hoje sabemos que a radiação beta é composta de elétrons ou pósitrons de alta energia juntamente com neutrinos. O estudo do decaimento beta foi, de fato, a primeira evidência física da existência de neutrinos .

Definição de decaimento beta

O decaimento beta é definido como decaimento nuclear radioativo no qual partículas beta e neutrinos são emitidos . Para cada partícula beta, um neutrino associado é emitido. Partículas beta em alta velocidade formam radiação beta .

A partícula beta pode ser um elétron (e ) ou um pósitron (e + ) . E o neutrino pode ser um antineutrino do elétron ou um neutrino do elétron . Se a partícula beta for um elétron, ela será acompanhada por um antineutrino do elétron. Se a partícula beta for um pósitron, ela será acompanhada por um neutrino de elétron.

Isso resulta em dois tipos de decaimento beta , um em que um elétron + antineutrino (β ) é emitido e outro em que um pósitron + neutrino (β + ) é emitido :

  1. Decaimento β (beta menos ou beta negativo) : emite um elétron e um antineutrino de elétron. Ocorre em núcleos com excesso de nêutrons. Um nêutron se transforma em um próton que é integrado ao núcleo, e um elétron e um antineutrino eletrônico que são emitidos na forma de radioatividade. O β decaimento produz um núcleo cujo número atómico aumenta por um.
  2. Β + decaimento (beta mais ou beta positivo) : emite um pósitron e um neutrino de elétron. Ocorre em núcleos com excesso de prótons. É menos comum do que a β decadência . Um próton se transforma em nêutron e um pósitron e um neutrino de elétron são emitidos. O decaimento β + produz um núcleo cujo número atômico é reduzido em 1.

Descrição e justificativa

O decaimento beta é um fenômeno de decaimento nuclear radioativo no qual um átomo instável adquire uma razão próton para nêutron mais estável. Pode ser pela transformação de um nêutron em um próton, ou pela transformação de um próton em um nêutron. Nesta transformação, partículas beta são emitidos, quer electrões (β decaimento ) ou positrões (β + decomposição ).

O decaimento beta é uma consequência da força nuclear fraca , que produz tempos de decaimento relativamente longos.

Cada nucleon (próton ou nêutron) é feito de diferentes combinações de quarks u (up) ed (down) quarks . Especificamente, o próton é formado por dois quarks up e um down, enquanto o nêutron é composto por dois quarks down e um up.

Quarks de um próton e um nêutron

A força nuclear fraca permite que um quark mude do tipo para o tipo d trocando um bóson W ( responsável pela força nuclear fraca ) e criando um par elétron / antineutrino ou um par pósitron / neutrino.

Em outras palavras, o decaimento beta é produzido pela mudança do tipo de quarks em um nêutron ou próton, de forma que um se transforma em outro e a radiação é emitida.

No decaimento beta, o número de massa (nêutrons mais prótons) é conservado, mas não o número atômico (número de prótons). O núcleo resultante do decaimento beta possui um número atômico diferente do inicial e, portanto, é um elemento diferente do inicial.

Essa transformação de um elemento em outro é conhecida como transmutação nuclear . Por exemplo, o decaimento beta do carbono-14 produz nitrogênio-14 em um processo que tem meia-vida de 5.730 anos.

14 C 614 N 7 + e + antineutrino

Decadência β

No decaimento beta menos ou beta negativo, um nêutron se transforma em um próton e emite um elétron e um antineutrino de elétron :

n → p + e + antineutrino

O decaimento beta ocorre espontaneamente em nêutrons livres. Se ocorrer dentro de um núcleo atômico, resultará na transmutação para o próximo elemento em número atômico, já que o número atômico é aumentado em uma unidade ( há mais um próton ):

Z X AZ Y A + 1 + e + antineutrino

Onde X é o elemento inicial e Y o elemento final; Z é o número de massa e A é o número atômico.

Exemplo : Césio 137 decai em Bário 137

137 Cs 55137 Ba 56 + e + antineutrino

A um nível fundamental, o processo ocorre através da conversão de uma carga negativa d (para baixo) quark (-1/3 e) em um u (para cima) quark carregado positivamente (+2/3 e), e a emissão de um W Higgs . O W Higgs , subsequentemente, decai para um electrão e um antineutrino electrões.

Galeria

Decaimento beta negativo. Diagrama de Feynman de emissão de elétrons para decaimento beta negativo

Β + decadência (beta positivo)

O decaimento beta + , beta positivo ou beta plus, é menos comum do que o decaimento beta negativo. Também é conhecido como emissão de pósitrons . Entre outras aplicações, a emissão de pósitrons é usada em tomografia.

No decaimento beta positivo, um próton se transforma em um nêutron e emite um pósitron e um neutrino de elétron .

p → n + e + + neutrino

Mas, ao contrário do decaimento beta negativo que ocorreu espontaneamente em nêutrons livres, esse processo não ocorre em prótons livres . Quando produzido em prótons que fazem parte de um núcleo, o elemento resultante terá o número atômico reduzido em uma unidade ( há um próton a menos ):

Z X AZ Y A-1 + e + + neutrino

Exemplo : Sódio 22 decai para Néon 22

22 Na 1122 Ne 10 + e + + neutrino

No processo de decaimento beta positivo, o bóson trocado é do tipo W + .

Galeria

Decaimento beta positivo. Diagrama de Feynman de emissão de pósitrons para decaimento beta positivo

Captura eletronica

A captura de elétrons é frequentemente descrita como outro tipo de decaimento beta. Em todos os casos em que o decaimento beta positivo é energeticamente permitido, a captura de elétrons também o é.

O resultado é semelhante ao decaimento beta positivo e o número atômico é reduzido em uma unidade ( há um próton a menos ), mas em vez de emitir um pósitron e um neutrino, apenas um neutrino é emitido :

Z X A + e +Z Y A-1 + neutrino

Em núcleos ricos em prótons com uma diferença de energia entre o estado inicial e final inferior a 2 m e c 2 , o decaimento beta positivo não é possível. Esses núcleos só podem ser desintegrados por captura eletrônica.

Se o elétron vem do próprio átomo, a partir do chamado shell K, em seguida, ele é conhecido como captura K . Os elétrons na camada K são os mais propensos a interagir com o núcleo.

Exemplo : o sódio 22 pode decair para o néon 22 por decaimento beta positivo, mas também pode fazer isso por captura de elétrons:

22 Na 1122 Ne 10 + e + + neutrino (decaimento β + )

22 Na 11 + e +22 Ne 10 + neutrino (captura de elétrons)

Exemplo : Krypton 81 decai para Bromo 81 por captura eletrônica

81 Kr 36 + e 81 Br 35 + neutrino