thumb|upright=1.35|Desintegración nun núcleo atómico (omítese o antineutrino asociado). O recadro mostra a desintegración beta dun neutrón libre. Ningunha destas representacións mostra o bosón virtual intermedio.
Na física nuclear, a desintegración beta (β) é un tipo de desintegración radioactiva na que un núcleo atómico emite unha partícula beta (un electrón ou positrón rápido e enerxético), transformándose nun isóbaro dese nuclido. Por exemplo, a desintegración beta dun neutrón transfórmao nun protón mediante a emisión dun electrón acompañado dun antineutrino; ou, inversamente, un protón convértese nun neutrón mediante a emisión dun positrón xunto cun neutrino, no proceso denominado emisión de positróns. Nin a partícula beta nin o seu (anti)neutrino asociado existen dentro do núcleo antes da desintegración beta, senón que son creados durante o proceso de desintegración. Mediante este proceso, os átomos inestables adquiren unha relación de protóns a neutróns máis estable. A probabilidade de que un nuclido se desintegre por desintegración beta ou por outras formas de desintegración está determinada pola súa enerxía de enlace nuclear. As enerxías de enlace de todos os nuclidos existentes forman o que se denomina banda nuclear ou val de estabilidade. Para que a emisión de electróns ou positróns sexa enerxeticamente posible, a enerxía liberada ou valor Q debe ser positiva.
A desintegración beta é unha consecuencia da forza débil, caracterizada por tempos de desintegración relativamente longos. Os nucleóns están compostos por quarks up e quarks down, e a forza débil permite que un quark cambie o seu sabor mediante un bosón W virtual, dando lugar á creación dun par electrón/antineutrino ou positrón/neutrino. Por exemplo, un neutrón, composto por dous quarks down e un quark up, desintégrase nun protón composto por un quark down e dous quarks up.
A captura electrónica inclúese ás veces como un tipo de desintegración beta, porque o proceso nuclear básico, mediado pola forza débil, é o mesmo. Na captura electrónica, un electrón interno do átomo é capturado por un protón do núcleo, transformándoo nun neutrón, e libérase un neutrino electrónico.
Descrición
Os dous tipos de desintegración beta coñécense como beta menos e beta máis. Na desintegración beta menos (β−), un neutrón convértese nun protón, e o proceso crea un electrón e un antineutrino electrónico; mentres que na desintegración beta máis (β+), un protón convértese nun neutrón e o proceso crea un positrón e un neutrino electrónico. A desintegración β+ tamén se coñece como emisión de positróns.
A desintegración beta conserva un número cuántico coñecido como número leptónico, é dicir, o número de electróns e dos neutrinos asociados (outros leptóns son o muón e o tau). Estas partículas teñen número leptónico +1, mentres que as súas antipartículas teñen número leptónico −1. Como un protón ou un neutrón teñen número leptónico cero, a desintegración β+ (un positrón ou antielectrón) debe ir acompañada dun neutrino electrónico, mentres que a desintegración β− (un electrón) debe ir acompañada dun antineutrino electrónico.
Nesta forma de desintegración, o elemento orixinal convértese nun novo elemento químico nun proceso coñecido como transmutación nuclear. Este novo elemento ten un número másico inalterado, pero un número atómico incrementado nunha unidade. Como en todas as desintegracións nucleares, o elemento que se desintegra coñécese como nuclido pai, mentres que o elemento resultante coñécese como nuclido fillo.
A desintegración β+ tamén dá lugar a unha transmutación nuclear, na que o elemento fillo ten un número atómico reducido nunha unidade.
O espectro beta, ou distribución dos valores de enerxía das partículas beta, é continuo. A enerxía total do proceso de desintegración repártese entre o electrón, o antineutrino e o nuclido en retroceso. Na figura da dereita móstrase un exemplo dun electrón con enerxía de 0,40 MeV procedente da desintegración beta do 210Bi. Neste exemplo, a enerxía total da desintegración é de 1,16 MeV, polo que o antineutrino posúe a enerxía restante: . Un electrón situado no extremo dereito da curva tería a máxima enerxía cinética posible, deixando para o neutrino só a súa pequena masa en repouso.
Historia
Descubrimento e caracterización inicial
A radioactividade foi descuberta en 1896 por Henri Becquerel no uranio, e posteriormente observada por Marie e Pierre Curie no torio e nos recentemente descubertos elementos polonio e radio.
En 1899, Ernest Rutherford separou as emisións radioactivas en dous tipos, alfa e beta (actualmente beta menos), baseándose na súa capacidade de penetración nos materiais e de producir ionización. Os raios alfa podían ser detidos por finas láminas de papel ou aluminio, mentres que os raios beta podían atravesar varios milímetros de aluminio. En 1900, Paul Villard identificou un tipo de radiación aínda máis penetrante, que Rutherford denominou raios gamma.Trenn, T. J. (1976). Rutherford on the alpha-beta-gamma classification of radioactive rays. Isis, 67(1), 61-75.
En 1900, Becquerel mediu a relación masa-carga () das partículas beta mediante o método empregado por J. J. Thomson para estudar os raios catódicos e identificar o electrón. Descubriu que para unha partícula beta era igual ao valor obtido por Thomson para o electrón e, por tanto, suxeriu que a partícula beta era realmente un electrón.
En 1901, Rutherford e Frederick Soddy demostraron que a radioactividade alfa e beta implicaba a transmutación dos átomos en átomos doutros elementos químicos. En 1913, despois de coñecerse os produtos de máis desintegracións radioactivas, Soddy e Kazimierz Fajans propuxeron independentemente a súa lei do desprazamento radioactivo de Fajans e Soddy, segundo a cal a emisión beta (é dicir, ) dun elemento produce outro elemento situado unha posición á dereita na táboa periódica, mentres que a emisión alfa produce un elemento situado dúas posicións á esquerda.Fajans displacement law, Le Moyne College. Consultado o 4 de febreiro de 2026.Fajans displacement law, Le Moyne College. Consultado o 3 de febreiro de 2026.
Neutrinos
O estudo da desintegración beta proporcionou a primeira evidencia física da existencia do neutrino. Tanto na desintegración alfa como na gamma, a partícula resultante presenta unha distribución de enerxía estreita, xa que transporta a enerxía correspondente á diferenza entre os estados nucleares inicial e final. Porén, a distribución da enerxía cinética, ou espectro, das partículas beta medida por Lise Meitner e Otto Hahn en 1911 e por Jean Danysz en 1913 mostrou múltiples liñas sobre un fondo difuso. Estas medicións ofreceron a primeira indicación de que as partículas beta posúen un espectro continuo.
En 1914, James Chadwick empregou un espectrómetro magnético cun dos novos contadores Geiger de Hans Geiger para realizar medicións máis precisas, que demostraron que o espectro era continuo. Os resultados, que parecían contradicir a lei de conservación da enerxía, foron validados mediante medicións calorimétricas realizadas en 1929 por Lise Meitner e Wilhelm Orthmann. Se a desintegración beta fose simplemente a emisión dun electrón, como se supoñía na época, a enerxía do electrón emitido debería ter un valor concreto e ben definido. Porén, na desintegración beta os electróns observados presentaban unha ampla distribución de enerxías.
Un segundo problema estaba relacionado coa conservación do momento angular. Os espectros de bandas moleculares mostraban que o espín nuclear do nitróxeno-14 era 1 (é dicir, igual á constante de Planck reducida) e, de forma máis xeral, que o espín era enteiro para os núcleos con número másico par e semienteiro para os núcleos con número másico impar. Isto foi explicado posteriormente polo modelo protón-neutrón do núcleo. A desintegración beta deixa inalterado o número másico, polo que a variación do espín nuclear debe ser un número enteiro. Porén, o espín do electrón é 1/2, polo que o momento angular non se conservaría se a desintegración beta fose simplemente a emisión dun electrón.
Entre 1920 e 1927, Charles Drummond Ellis (xunto con Chadwick e outros colaboradores) estableceu de maneira máis sólida que o espectro da desintegración beta era continuo. En 1933, Ellis e Nevill Mott obtiveron probas convincentes de que o espectro beta posúe un límite superior efectivo de enerxía. Niels Bohr suxerira que o espectro beta podía explicarse se a conservación da enerxía só fose válida nun sentido estatístico, de maneira que este principio podería violarse en cada desintegración individual. Porén, o límite superior das enerxías beta determinado por Ellis e Mott descartou esa hipótese. Así, o problema de explicar a variabilidade da enerxía nos produtos coñecidos da desintegración beta, así como a conservación do momento lineal e do momento angular durante o proceso, converteuse nun asunto de grande importancia.
Nunha famosa carta escrita en 1930, Wolfgang Pauli intentou resolver o enigma da enerxía das partículas beta propoñendo que, ademais de electróns e protóns, os núcleos atómicos tamén contiñan unha partícula neutra extremadamente lixeira, á que chamou neutrón. Suxeriu que este «neutrón» tamén era emitido durante a desintegración beta (explicando así a enerxía, o momento lineal e o momento angular aparentemente desaparecidos), pero que simplemente aínda non fora observado. En 1931, Enrico Fermi renomeou o «neutrón» de Pauli como neutrino («pequeno neutro» en italiano). En 1933, Fermi publicou a súa histórica teoría da desintegración beta, na que aplicou os principios da mecánica cuántica ás partículas materiais, supoñendo que podían ser creadas e aniquiladas, do mesmo xeito que os cuantos de luz nas transicións atómicas. Así, segundo Fermi, os neutrinos créanse durante o proceso de desintegración beta en lugar de estar contidos previamente no núcleo; o mesmo sucede cos electróns.
A interacción dos neutrinos coa materia resultou ser tan débil que a súa detección constituíu un enorme desafío experimental. Obtivéronse máis probas indirectas da súa existencia observando o retroceso dos núcleos que emitían unha destas partículas tras absorber un electrón. Finalmente, os neutrinos foron detectados directamente en 1956 polos físicos estadounidenses Clyde Cowan e Frederick Reines no experimento do neutrino de Cowan–Reines. As propiedades dos neutrinos resultaron ser, con algunhas pequenas modificacións posteriores, as previstas por Pauli e Fermi.
Desintegración e captura electrónica
En 1934, Frédéric e Irène Joliot-Curie bombardearon aluminio con partículas alfa para provocar a reacción nuclear, e observaron que o isótopo resultante emitía un positrón idéntico aos atopados nos raios cósmicos (descubertos por Carl David Anderson en 1932). Este foi o primeiro exemplo de desintegración (emisión de positróns), que denominaron radioactividade artificial, xa que o isótopo resultante é un nuclido de vida curta que non existe na natureza. En recoñecemento ao seu descubrimento, o matrimonio recibiu o Premio Nobel de Química en 1935.
A teoría da captura electrónica foi discutida por primeira vez por Gian-Carlo Wick nun artigo de 1934, e posteriormente desenvolvida por Hideki Yukawa e outros investigadores. A captura electrónica da capa K foi observada por primeira vez en 1937 por Luis Alvarez, no nuclido 48V. Alvarez continuou estudando a captura electrónica en 67Ga e noutros nuclidos.
Non conservación da paridade
En 1956, Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang advertiron que non existían probas de que a paridade se conservase nas interaccións débiles, polo que postularon que esta simetría podería non ser respectada pola interacción débil. Deseñaron un experimento para comprobar a conservación da paridade no laboratorio.
Máis tarde ese mesmo ano, Chien-Shiung Wu e os seus colaboradores demostraron experimentalmente que unha emisión beta asimétrica do cobalto-60 probaba que a paridade non se conserva na desintegración beta.