Libro: Núcleo atómico y radiactividad: Decaimiento beta (2023)

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El proceso por el cual un nucleido inestable emite una partícula beta se llama decaimiento beta. Esta descomposición se debe a una interacción nuclear débil.

Las partículas beta pueden ser partículas con la misma masa y carga que el electrón (decaimientobeta negativos,B^-) o positrones (antielectrones) cuya masa es igual a la del electrón pero de carga opuesta (decaenBeta positivo,B⁺) resultante de la conversión de neutrones o protones en el núcleo cuando se encuentra en un estado excitado.

Los rayos beta tienen una menor capacidad de interacción con la materia que los rayos alfa (son más ligeros y menos cargados) y por tanto penetran más en ella, aunque su poder ionizante no es tan elevado. Al igual que las partículas alfa, son desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

A diferencia del proceso de desintegración alfa, que ocurre cuando un núcleo tiene un exceso importante de nucleones y su estabilización depende de la reducción de su número, en este caso los núcleos tienen un desequilibrio relativo de protones y neutrones, y la estabilidad tiende a variar proporcionalmente. En el caso de beta negativa, se aumenta el número de protones a expensas de reducir el número de neutrones, y en el caso de beta positiva y captura de electrones, se aumenta el número de neutrones mientras que se disminuye el número de protones. En todos los casos, el número total de nucleones (A) permanece sin cambios.

Hay tres posibles mecanismos para este tipo de desintegración:

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Desintegración beta negativa (β-)

Es una emisión de partículas nucleares con una masa igual a la de un electrón y una velocidad comparable a la de la luz. Estas partículas son creadas por la conversión espontánea de un neutrón en un protón. El resultado es la emisión de una partícula β^-y un antineutrino (ῡ). Estas últimas son las antipartículas correspondientes al neutrino, tienen una masa diez mil veces menor que el electrón y un espín 1/2.

Emisión de partículas beta negativas.

El hecho de que estemos discutiendo la existencia de este tipo de emisión no implica la existencia de electrones en el núcleo. Si realmente hubiera un electrón en el núcleo, su energía de enlace sería muy alta (del orden de 6 o 6 MeV) debido a su carga, y no podría liberarse en absoluto. A la luz de la teoría estándar, el proceso de emisión de una partícula β^-se explica a continuación. La conversión de un neutrón en un protón se basa en el cambio de sabor de un quark down en un quark up a través de la liberación de un bosón W.^-. Este bosón tiene una vida útil muy corta y se desintegra rápidamente, produciendo un electrón y un antineutrino, que podemos detectar como emisiones del núcleo.

El elemento emisor aumenta su número atómico (Z) en una unidad, pero su número másico (A) permanece igual porque el número de neutrones disminuye en una unidad, es decir, este tipo de decaimiento ocurre entre isobaras.

Veamos la ecuación y el esquema de energía que representan este tipo de decaimiento:

La energía liberada durante la descomposición (Q_B^-) es igual a la diferencia de masa entre el núcleo madre (X) y el núcleo hijo (Y). A diferencia de la desintegración alfa, en este caso el producto energético del proceso se distribuye entre la Ec de la partícula β^-y la Ec del antineutrino Para un decaimiento dado, la distribución de energía entre ambas partículas no siempre es la misma, sino que sigue una distribución aleatoria con una energía de máxima probabilidad. Por ejemplo, la energía de desintegración de³²Rígido³²S es 1.71 MeV pero muy pocas partículas β^-obtienen esta energía cinética, la mayoría tienen una energía promedio de 0,7 MeV, que es característica de esta transición, quedando el resto de la energía (alrededor de 1,01 MeV) como la energía cinética del antineutrino. Es interesante notar que no todas las partículas β se observan^-resultante de una desintegración tenía la misma energía (a diferencia de la alfa), llevó a Wolfgang Pauli en 1930 a postular la existencia de otra partícula que llevaría consigo la energía restante de la desintegración. Dado que la partícula predicha no tenía carga y una masa prácticamente despreciable, era muy difícil de detectar y su descubrimiento experimental no se documentó hasta 1956.

Esta transición se puede representar esquemáticamente como:

Como ya se mencionó, los bosones W intervienen en este proceso.^-. El neutrón (que consta de 2 quarks down y un quark up más gluones) se convierte en un protón porque uno de los quarks down se convierte en un quark up.

Con este cambio de sabor, el quark down se convierte en el quark up y en un bosón W negativo (para conservar la carga eléctrica del sistema). es el bosón W^-el que se desintegra en los dos leptones (el electrón y el antineutrino) casi instantáneamente.

Un ejemplo de este tipo de desintegración es el caso de²¹⁰Bi.

Desintegración beta positiva (β+)

Es una emisión de positrones (y⁺), se consideran antipartículas del electrón porque tienen la misma masa pero carga de signo opuesto. Este decaimiento se caracteriza por la conversión de un protón en un neutrón con la emisión de un neutrino.

Emisión positiva de partículas beta.

El elemento emisor disminuye su número atómico (Z) en uno, pero su número de masa (A) permanece igual. La ecuación y el esquema energético que representa este tipo de descomposición son los siguientes:

Para que tenga lugar esta descomposición, el positrón debe materializarse a partir de la energía. Esta materialización tiene un umbral de energía (por debajo del cual no puede ocurrir) igual al doble de la masa en reposo del positrón. Por lo tanto, para que ocurra este tipo de decaimiento, la energía liberada en el decaimiento (Q_B⁺) debe ser mayor o igual a 1,02 MeV, que es la energía necesaria para materializar el positrón (β⁺). Análogo a la desintegración β^-, o Q_B⁺es igual a la suma de la energía cinética de la partícula β⁺, la del neutrino, más la suma de 1,02 Mev.partículas β^-yb⁺(con sus correspondientes antineutrinos y contrapartes de neutrinos) exhiben un espectro de energía continuo.

Por supuesto, también en este caso, los nucleidos madre e hija son isóbaras.Es un proceso de transformación nuclear en el que un protón se convierte en un neutrón en el núcleo. Se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:

Los bosones W están involucrados en este proceso.⁺. El protón (que consta de 2 quarks up y un quark down más gluones) se convierte en un neutrón porque uno de los quarks up se convierte en un quark down.

Con este cambio de sabor, un quark up se convierte en un quark down y un bosón W.⁺. es el bosón W⁺que decae en ambos leptones casi instantáneamente.

Un ejemplo de este tipo de desintegración es el caso de¹⁸F.

captura electronica

Como en la desintegración β⁺, La captura de electrones (EC) es un proceso de descomposición que ocurre en un átomo cuando el núcleo tiene un exceso de protones. En este caso, el núcleo capta un electrón de orbitales cercanos a él (generalmente de la capa K, la más interna, que corresponde al orbital 1s). En el proceso, un protón se convierte en un neutrón y se emite un neutrino, lo que da como resultado una transmutación.

Captura de un electrón de la capa K.

Este es un proceso alternativo al decaimiento beta positivo. Incluso puede ser el único posible si la energía disponible para la emisión radiactiva es inferior a los 1,02 MeV necesarios para materializar el positrón. Cuando Q ≥ 1,02 MeV, CE y β decaen⁺pueden ocurrir alternativamente, es decir, algunos núcleos en una muestra se descomponen por un mecanismo y otros por otro. En una muestra de estas características, ambos mecanismos competirán con una probabilidad dada de que cada uno ocurra.

En este caso, la ecuación que representa este mecanismo y el esquema energético asociado es la siguiente:

Un ejemplo es el⁸¹Rb.

La brecha electrónica creada por la captura del electrón se puede llenar con un electrón externo con un nivel de energía más alto. Este reordenamiento de electrones da como resultado la liberación de energía a través de la emisión de fotones. Estos fotones del reordenamiento electrónico en orbitales sucesivos se conocen como rayos.X.

Reordenamiento de electrones que conducen a la emisión de rayos X.

El exceso de energía también se puede transferir directamente a otro electrón emitido por el átomo. Este electrón emitido se llama electrón Auger (pronunciado oyé). El fenómeno físico en el que la desaparición de un electrón de un plano interior de un átomo provoca la emisión de un segundo electrón se conoce como emisión de electrones Auger.

La energía del electrón Auger corresponde a la diferencia entre la energía de transición electrónica primaria y la energía de ionización de la capa desde la que se emitió el electrón Auger.

succionador de electrones

La figura anterior muestra una transición Auger-KLL. A la izquierda (a), el primer electrón ha sido removido de la capa K, dejando una vacante en el orbital (círculo abierto). A la derecha (b) se muestra un electrón en la capa L que disminuye su energía y llena el espacio transfiriendo el exceso de energía a un segundo electrón L., zemitida por el átomo. Este último se conoce como electrón Auger y se puede detectar junto con los rayos X después de los diversos reordenamientos de los electrones en los orbitales.

Resumiendo, podemos decir que este proceso tiene lugar en átomos multielectrónicos, en los que los electrones se ubican en orbitales correspondientes a los principales niveles cuánticos. Los estados de energía más bajos correspondientes a los electrones más fuertemente unidos al núcleo son aquellos en el nivel n=1, conocido como la capa K, el estado de energía más bajo de un átomo. El siguiente nivel, n = 2, se conoce como la capa L, y así sucesivamente. Entonces, un átomo de un elemento relativamente pesado tiene múltiples capas llenas de electrones. Cuando se captura un electrón interno, como el de una capa K, el átomo parcialmente ionizado resultante se encuentra en un estado excitado. Esto crea una vacante en una capa muy profunda, para que los electrones de otras capas superiores puedan liberar energía durante las transiciones necesarias para llenar esta vacante.