miniatura|Diagrama de Feynman de la desintegració β-. En la figura, un dels tres quarks de l'esquerra (quark d, en blau) emet un bosó W- i passa a ser un quark u. El bosó emès (W-) es desintegra en un antineutrí i un electró.La desintegració β, decaïment β o emissió β és un procés pel qual un nucli atòmic es transforma en un altre nucli atòmic mitjançant l'emissió o la captura d'una partícula β (un electró o un positró) i l'emissió d'un antineutrí electrònic o un neutrí electrònic, per efecte de la interacció feble. L'equació general és:On:
: nuclis pare i fill, respectivament. i : nombre de protons (nombre atòmic), nombre de neutrons i nombre de nucleons (nombre màssic), respectivament. i : electró i positró. i : neutrí electrònic i antineutrí electrònic.
La desintegració beta, β, inclou tres tipus de desintegracions, la β–, la β+ i la β inversa:
Desintegració β–, a vegades anomenada desintegració neutrònica: un neutró es transforma en un protó, un electró i un antineutrí electrònic segons l'equació: . El nucli atòmic pare X es transforma en un nucli atòmic fill Y del mateix nombre màssic A (nuclis isòbars) i un nombre atòmic Z una unitat superior (Z + 1). Per exemple: Desintegració β+: un protó es transforma en un neutró, un positró i un neutrí electrònic segons l'equació: . El nucli atòmic pare X es transforma en un nucli atòmic fill Y del mateix nombre màssic A (nuclis isòbars) i un nombre atòmic Z una unitat inferior (Z – 1). Per exemple: . El positró generat en aquesta reacció viatjarà a través del nigul d'electrons que envolta el nucli atòmic i es combinarà amb un d'aquests electrons provocant la seva aniquilació mútua i la producció de dos fotons, cadascun d'energia de mec² = 511 keV, emesos en direccions oposades per conservar el moment lineal. Captura electrònica o desintegració β inversa: un nucli pare pot capturar un dels seus propis electrons orbitals i emetre un neutrí. Aquest és un procés que competeix amb l'emissió de positrons, i té el mateix efecte sobre el nombre atòmic, disminueix en una unitat. Més comunament es tracta d'un electró de la capa K, la més propera al nucli, que és capturat, i per això és referit com a captura K. L'equació general és: . Un exemple típic és el del decaïment del beril·li 7: .
Història miniatura|Ernest Rutherford (1871-1937) el 1908. El 1898 el científic britànic Ernest Rutherford (1871-1937), quan treballava a Universitat McGill de Mont-real (Quebec), utilitzà un electròmetre per mesurar un corrent elèctric creat per la radiació que Antoine Henri Becquerel (1852–1908) havia descobert feia dos anys a una sal d'urani. Estengué una capa uniforme d'una sal d'urani i urani metàl·lic damunt una placa A de zinc, i els raigs emesos ionitzaven el gas entre aquesta placa A i una altra B. La quantitat d'ionització la mesurava pel “corrent de saturació” rebut a B quan la diferència de potencial entre A i B és prou gran per treure tots els ions a les plaques abans que poguessin recombinar-se. Després, Rutherford procedí a cobrir l'urani amb làmines d'alumini de diversos gruixos i a mesurar el corrent mitjançant l'electròmetre. Becquerel ja havia conclòs, el 30 de març de 1896, que la radiació d'urani consistia en raigs absorbits de manera desigual, és a dir, que la radiació d'urani estava formada per dues o més parts diferenciades. Però amb la seva tècnica de plaques fotogràfiques, no pogué anar més lluny. Rutherford trobà que hi havia almenys dos "raigs" diferents emesos per l'urani i els anomenà α i β.
El 1911 el químic alemany Otto Hahn (1879–1968) i la física austríaca Lise Meitner (1878–1968) observaren que la desintegració β semblava violar el principi de conservació de l'energia i del moment lineal. miniatura|Wolfgang Pauli (1900–1958)El 1913, de forma independent, el químic anglès Frederick Soddy (1877–1956) y el físicoquímic polonès Kasimir Fajans (1887–1975), arribaren a la conclusió que el nucli atòmic que emet una partícula β– es transforma en un nucli d'un element químic diferent, de nombre atòmic una unitat superior, fet contrari a la immutabilitat dels àtoms que s'acceptava des de la teoria atòmica de l'anglès John Dalton (1766–1844) publicada el 1808.
James Chadwick (1891–1974) observà el 1914 que l'espectre energètic a les emissions β era continu mentre que els espectres α i γ eren discrets. Per altra banda hi havia el problema de les estadístiques aparentment equivocades del nitrogen. Hom ha de tenir en compte que les úniques partícules elementals conegudes en aquell moment eren: electró, protó i fotó. Se suposava que els electrons eren presents al nucli i participar en la unió nuclear. Així, el nitrogen amb A = 14 i la càrrega elèctrica 7 haurien de constar de 14 protons i 7 electrons, per tant haurien d'obeir l'estadística de Fermi-Dirac, contràriament a l'observació. miniatura|Enrico Fermi (1901–1954) El físic austríac Wolfgang Pauli (1900–1958), en una famosa carta datada el 4 de desembre de 1930 als seus amics de la Universitat de Tübingen formulà la hipòtesi del neutrí. Segons Pauli havia d'existir una partícula amb molt poca massa i sense càrrega elèctrica per explicar la distribució contínua d'energia dels electrons emesos en la desintegració β. Només amb l'emissió d'una tercera partícula es podia conservar el moment lineal i l'energia. El 1932 Chadwich descobrí el neutró, el segon constituent del nucli atòmic. En el 7è Congrés Solvay, celebrat a Brussel·les, Bèlgica, el 1933, Pauli realitzà una breu contribució presentant la seva idea de com resoldre el trencaclosques de la desintegració β. Fou la presentació pública del neutrí.
El físic italià Enrico Fermi (1901–1954) recollí la idea de Pauli i formulà, en només dos mesos, una teoria quàntica de la desintegració β considerant que electrons i neutrins no estaven presents al nucli atòmic sinó que es formaven durant el procés d'emissió beta. La carta de Fermi enviada a la revista Nature fou rebutjada a causa d'especulacions abstractes massa allunyades de la realitat física per ser d'interès per als lectors. Fermi la publicà a dues revistes italianes, el 1933 a Ricerca Scientifica i el 1934 a Il Nuovo Cimento, de poca repercussió internacional. Després aconseguí publicar-la el 1934 a la revista alemanya Zeitschrift für Physik sota el títol «Versuch einer Theorie der β-Strahlen». La teoria planteja quatre fermions (partícules amb espín fraccionari) que interactuen directament entre si. Aquesta interacció explica la desintegració β d'un neutró mitjançant l'acoblament directe d'un neutró amb un electró, un neutrí (més tard es determinà que era un antineutrí) i un protó. Però la naturalesa de la interacció que dona lloc a la desintegració beta era desconeguda en el temps de Fermi.
El mateix any 1934 els físics alemanys Hans Bethe (1906–2005) i Rudolf Peierls (1907–1995) determinaren que els neutrins podien detectar-se gràcies a la seva interacció amb els protons que produeixen neutrons i positrons. La detecció no fou possible fins a un experiment realitzat el 1956 pels científics estatunidencs Clyde L. Cowan (1919–1974) i Frederick Reines (1918–1998).
L'any 1934 Frédéric Joliot (1900–1958) i Irène Curie (1897–1956) bombardejaren alumini amb partícules alfa aconseguint sintetitzar l'isòtop fòsfor 30 que és inestable, i es desintegra per emissió de positrons en silici 30, estable. Fou el descobriment de l'emissió β+, que no es produeix en els radionúclids naturals.
Els físics japonesos Hideki Yukawa (1907–1981) and Shoichi Sakata (1911–1970) desenvoluparen una teoria el 1935 sobre la possibilitat d'una captura d'electrons de la capa més baixa de l'escorça electrònica per part d'un protó del nucli. Aquesta teoria fou desenvolupada per altres científics i confirmada la captura d'electrons pel físic estatunidenc Luis Walter Álvarez (1911–1988) el 1937.
Característiques miniatura|440x440px|Les desintegracions β– () la sofreixen nuclis amb excés de neutrons (dreta de la zona en negra de nuclis estables), mentre que les β+ i la captura d'electrons () es donen en nuclis amb manca de neutrons (esquerra de la zona negra). Les desintegracions β tendeixen a permetre que el nucli inestable s'acosti a la relació òptima neutró/protó, que oscil·la entre 1:1 pel nuclis més lleugers i 5:1 pel nuclis més pesants. Quan hi ha un excés de neutrons respecte dels protons, es produeix una desintegració β–; quan hi ha excés de protons respecte dels neutrons, es produeix una desintegració β+ o una captura d'electrons. Per exemple, l'argent té dos isòtops estables l'argent 107 i l'argent 109, amb una relació neutrons/protons al voltant d'1,3:1. L'isòtop argent 100 té una relació 1,1:1, inferior a l'estable, per la qual cosa es desintegra mitjançant emissió β+. En canvi l'isòtop argent 120 té una relació 1,6:1, superior a l'estable, i es desintegra amb emissió β–. Això no significa que amb una desintegració s'assoleixi l'estabilitat, per la qual cosa sovint se'n requereixen d'altres fins que es forma un núclid estable. Les reaccions dels isòtops d'argent són:
miniatura|Desintegració β– de l'or 198. El nucli fill, mercuri 198, pot quedar en estat fonamental o en dos estats excitats. En passar a l'estat fonamental s'emeten fotons γ.En una desintegració β el nucli fill conserva la càrrega elèctrica i el nombre de nucleons (nombre màssic) del nucli pare. El nucli fill en formar-se pot quedar en estat fonamental o en algun estat excitat, en aquest cas passa al fonamental amb emissió d'un fotó de radiació gamma. miniatura|Espectre continu de la desintegració β.Una de les característiques més interessant de la desintegració β és que els electrons i positrons són emesos en un ampli interval d'energies cinètiques i moments lineals, que van de zero fins al màxim de l'energia total disponible. Hom observa, per tant, un espectre continu d'energies. Com que l'energia queda repartida entre les dues partícules que surten, això és l'electró i l'antineutrí, o el positró i el neutrí, i existeixen infinites possibilitats de repartiment d'aquesta energia entre les dues partícules, s'observen espectres continus. No passa igual en la desintegració α, on només s'emet una partícula α (nucli d'heli) i s'observen espectres discontinus.
És important tenir en compte que els processos de les desintegracions β no impliquen nucleons lliures, sinó que estan units al nucli atòmic. Com que la massa en repòs del neutró (1,675×10–27kg) és lleugerament superior a la massa en repòs del protó (1,673×10−27 kg), la diferència de masses en el procés de desintegració β– produeix energia. La desintegració β– és òbviament exotèrmica. En la desintegració β+, però, un protó es transforma en un neutró. Això requereix energia a causa de les diferències entre les masses en repòs (1,3 MeV), que ve proporcionada per la disminució de la massa del nucli. A més, l'emissió del positró requereix més energia de 0,51 MeV, que també ha de ser proporcionada per la disminució de la massa del nucli. La suma de les dues energies és 1,8 MeV.
La captura d'un electró orbital per un protó al nucli, en el cas de la desintegració β inversa, s'acompanya de l'emissió d'un neutrí. El procés deixa una vacant en el nivell d'energia dels electrons d'on prové l'electró i aquesta vacant s'omple per la caiguda d'un electró de nivell superior amb l'emissió d'un raig X o per l'expulsió d'un electró més extern en un procés anomenat efecte Auger. Al rang mitjà de la taula periòdica, aquells isòtops que són més lleugers que els isòtops més estables, tendeixen al decaïment per captura d'electrons, i els decaïments més pesants ho fan pel decaïment beta negatiu. Un exemple d'aquest patró es veu amb els isòtops d'argent 105 i argent 111, que donen dos isòtops estables, el de massa menor decau per captura d'electrons, i el de massa més pesant decau per emissió β–:
Teoria de Fermi