Una partícula beta , también llamada rayo beta o radiación beta (símbolo β ), es un electrón o positrón de alta energía y velocidad emitido por la desintegración radiactiva de un núcleo atómico durante el proceso de desintegración beta . Hay dos formas de desintegración beta, desintegración β − y 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 las partículas.
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 es el efecto ionizante, mayor es el daño a los tejidos vivos, pero también menor es el poder de penetración de la radiación.
Un núcleo atómico inestable con un exceso de neutrones puede sufrir 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 protón mediante la emisión de un bosón W - virtual . 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 − luego se desintegra 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 desintegración β + , también llamada desintegración de positrones, donde un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico :
La desintegración beta-plus sólo 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 del esquema de desintegración adjunto muestra la desintegración beta del cesio-137 . El 137 Cs se caracteriza por un pico gamma característico de 661 KeV, pero en realidad es emitido por el radionucleido 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 ampliamente utilizado en medicina y tiene una vida media corta de 14,29 días [3] y se desintegra en azufre-32 mediante 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 con un promedio de aproximadamente 0,5 MeV y el resto de la energía es transportado por el casi indetectable antineutrino electrónico . En comparación con otros nucleidos que emiten radiación beta, el electrón tiene una energía moderada. Está bloqueado por aproximadamente 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 ionizante medio. Aunque las partículas beta emitidas por diferentes materiales radiactivos varían en energía, la mayoría de las partículas beta pueden detenerse con unos pocos milímetros de aluminio . Sin embargo, esto no significa que los isótopos emisores beta puedan quedar 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. Los blindajes compuestos de materiales con menor peso atómico generan gammas con menor energía, lo que hace que dichos escudos sean algo más efectivos por unidad de masa que los hechos de materiales con alto Z, como el plomo.
Al estar compuesta de partículas cargadas, la radiación beta es más fuertemente ionizante que la radiación gamma. Al atravesar la materia, una partícula beta se desacelera debido a interacciones electromagnéticas y puede emitir rayos X bremsstrahlung .
En el agua, la radiación beta de muchos productos de fisión nuclear normalmente excede la velocidad de la luz en ese material (que es el 75% de la luz en el vacío) [4] y, por lo tanto, genera radiación azul de Cherenkov cuando pasa a través del agua. La intensa radiación beta de las barras de combustible de los reactores de piscina 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 cantidades de radiación en unidades 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 espectro es la 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 afecciones de salud como el cáncer de ojos y 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 probar el espesor de un artículo, como el papel , que pasa a través de un sistema de rodillos. Parte de la radiación beta se absorbe al pasar a través del producto. Si el producto es demasiado grueso o demasiado fino, se absorberá una cantidad de radiación correspondientemente diferente. Un programa informático que controla la calidad del papel fabricado moverá los rodillos para cambiar el grosor del producto final.
Un dispositivo de iluminación llamado betalight contiene tritio y fósforo . A medida que el tritio se desintegra , emite partículas beta; estos chocan contra el fósforo, lo que hace que éste emita fotones , de forma muy parecida 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 descenderá 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 en 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 partículas beta mediante el método de JJ Thomson utilizado para estudiar los rayos catódicos e identificar el electrón. Encontró que e / m para una partícula beta es el mismo que para el electrón de Thomson y, por lo tanto, sugirió que la partícula beta es en realidad un electrón.
Las partículas beta penetran moderadamente en los tejidos vivos y pueden provocar mutaciones espontáneas en el ADN .
Las fuentes beta se pueden utilizar en radioterapia para matar células cancerosas.