Una partícula beta , también llamada rayo beta o radiación beta (símbolo β ), es un electrón o positrón de alta energía y alta velocidad emitido por la desintegración radiactiva de un núcleo atómico , conocida como desintegración beta . Existen dos formas de desintegración beta, la desintegración β − y la desintegración β + , que producen electrones y positrones, respectivamente. [2]
Las partículas beta con una energía de 0,5 MeV tienen un alcance de aproximadamente un metro en el aire; la distancia depende de la energía de la partícula y de la densidad y composición del aire.
Las partículas beta son un tipo de radiación ionizante y, a efectos de protección radiológica , se consideran más ionizantes que los rayos gamma , pero menos ionizantes que las partículas alfa . Cuanto mayor sea el efecto ionizante, mayor será el daño al tejido vivo, pero también menor será el poder de penetración de la radiación a través de la materia.
Un núcleo atómico inestable con un exceso de neutrones puede sufrir una desintegración β − , donde un neutrón se convierte en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico (la antipartícula del neutrino ):
Este proceso está mediado por la interacción débil . El neutrón se convierte en un protón a través de la emisión de un bosón virtual W − . A nivel de quarks , la emisión W − convierte un quark down en un quark up, convirtiendo un neutrón (un quark up y dos quarks down) en un protón (dos quarks up y un quark down). El bosón virtual W − se desintegra entonces en un electrón y un antineutrino.
La desintegración β− ocurre comúnmente entre los subproductos de fisión ricos en neutrones producidos en los reactores nucleares . Los neutrones libres también se desintegran mediante este proceso. Ambos procesos contribuyen a las copiosas cantidades de rayos beta y antineutrinos electrónicos producidos por las barras de combustible de los reactores de fisión.
Los núcleos atómicos inestables con un exceso de protones pueden sufrir una desintegración β + , también llamada desintegración positrónica, donde un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico :
La desintegración beta+ solo puede ocurrir dentro de los núcleos cuando el valor absoluto de la energía de enlace del núcleo hijo es mayor que el del núcleo padre, es decir, el núcleo hijo es un estado de menor energía.
El diagrama de desintegración adjunto muestra la desintegración beta del cesio-137 . El 137 Cs se caracteriza por un pico gamma característico a 661 keV, pero en realidad este es emitido por el radionúclido hijo 137m Ba. El diagrama muestra el tipo y la energía de la radiación emitida, su abundancia relativa y los nucleidos hijos después de la desintegración.
El fósforo-32 es un emisor beta muy utilizado en medicina. Tiene una vida media corta de 14,29 días [3] y se desintegra en azufre-32 por desintegración beta, como se muestra en esta ecuación nuclear:
Durante la desintegración se liberan 1,709 MeV de energía. [3] La energía cinética del electrón varía en promedio en aproximadamente 0,5 MeV y el resto de la energía es transportada por el antineutrino electrónico , casi indetectable . En comparación con otros nucleidos emisores de radiación beta, el electrón es moderadamente energético. Está bloqueado por alrededor de 1 m de aire o 5 mm de vidrio acrílico .
De los tres tipos comunes de radiación emitida por materiales radiactivos, alfa , beta y gamma , la beta tiene el poder de penetración medio y el poder de ionización medio. Aunque las partículas beta emitidas por diferentes materiales radiactivos varían en energía, la mayoría de las partículas beta pueden ser detenidas por unos pocos milímetros de aluminio . Sin embargo, esto no significa que los isótopos emisores beta puedan ser completamente protegidos por escudos tan delgados: a medida que desaceleran en la materia, los electrones beta emiten rayos gamma secundarios, que son más penetrantes que los betas per se. El blindaje compuesto por materiales con menor peso atómico genera rayos gamma con menor energía, lo que hace que tales escudos sean algo más efectivos por unidad de masa que los hechos de átomos más grandes, como el plomo.
Al estar compuesta de partículas cargadas, la radiación beta es más ionizante que la radiación gamma. Al atravesar la materia, una partícula beta se desacelera por interacciones electromagnéticas y puede emitir rayos X de frenado .
En el agua, la radiación beta de muchos productos de fisión nuclear normalmente supera la velocidad de la luz en ese material (que es aproximadamente un 75% de la de la luz en el vacío), [4] y, por lo tanto, genera radiación Cherenkov azul cuando pasa a través del agua. La intensa radiación beta de las barras de combustible de los reactores de piscinas se puede visualizar a través del agua transparente que cubre y protege el reactor (ver ilustración a la derecha).
Los efectos ionizantes o de excitación de las partículas beta sobre la materia son los procesos fundamentales mediante los cuales los instrumentos de detección radiométrica detectan y miden la radiación beta. La ionización del gas se utiliza en cámaras de iones y contadores Geiger-Müller , y la excitación de centelleadores se utiliza en contadores de centelleo . La siguiente tabla muestra las magnitudes de radiación en unidades del SI y no SI:
La energía contenida en las partículas beta individuales se mide mediante espectrometría beta ; el estudio de la distribución de energías obtenida como un espectro se denomina espectroscopia beta . La determinación de esta energía se realiza midiendo la cantidad de desviación de la trayectoria del electrón bajo un campo magnético. [5]
Las partículas beta se pueden utilizar para tratar enfermedades como el cáncer de ojos y de huesos y también se utilizan como trazadores. El estroncio-90 es el material más utilizado para producir partículas beta.
Las partículas beta también se utilizan en el control de calidad para comprobar el grosor de un artículo, como el papel , que pasa por un sistema de rodillos. Parte de la radiación beta se absorbe al pasar por el producto. Si el producto es demasiado grueso o demasiado fino, se absorberá una cantidad de radiación correspondientemente diferente. Un programa informático que supervisa la calidad del papel fabricado moverá entonces los rodillos para cambiar el grosor del producto final.
Un dispositivo de iluminación llamado betalight contiene tritio y un fósforo . A medida que el tritio se desintegra , emite partículas beta; estas chocan con el fósforo, lo que hace que este emita fotones , de forma muy similar al tubo de rayos catódicos de un televisor. La iluminación no requiere energía externa y continuará mientras exista el tritio (y los fósforos no cambien químicamente); la cantidad de luz producida se reducirá a la mitad de su valor original en 12,32 años, la vida media del tritio.
La desintegración beta-plus (o positrón ) de un isótopo trazador radiactivo es la fuente de los positrones utilizados en la tomografía por emisión de positrones (PET).
Henri Becquerel , mientras experimentaba con la fluorescencia , descubrió accidentalmente que el uranio exponía una placa fotográfica , envuelta con papel negro, a una radiación desconocida que no podía apagarse , como los rayos X.
Ernest Rutherford continuó estos experimentos y descubrió dos tipos diferentes de radiación:
Publicó sus resultados en 1899. [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 e / m para una partícula beta es la misma que para el electrón de Thomson, y por lo tanto sugirió que la partícula beta es, de hecho, un electrón.
Las partículas beta penetran moderadamente en el tejido vivo y pueden causar mutaciones espontáneas en el ADN .
Las fuentes beta se pueden utilizar en radioterapia para matar células cancerosas.