Partícula beta
Una partícula beta, también llamada rayo beta o radiación beta (símbolo β), es una alta -energía, electrón o positrón de alta velocidad emitido por la desintegración radiactiva de un núcleo atómico durante el proceso de desintegración beta. Hay dos formas de desintegración beta, la desintegración β− y la desintegración β+, que producen electrones y positrones respectivamente.
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.
Las partículas beta son un tipo de radiación ionizante y, para fines de protección contra la radiación, 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.
Modos de descomposición beta
Β− decaimiento (emisión de electrones)
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 electrón antineutrino (la antipartícula del neutrino):
n
→
p
+
e−
+
.
e
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 que se producen en los reactores nucleares. Los neutrones libres también se descomponen a través de 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.
Β+ decaimiento (emisión de positrones)
Los núcleos atómicos inestables con un exceso de protones pueden sufrir una desintegración β+, también llamada desintegración de positrones, donde un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:
p
→
n
+
e+
+
.
e
La descomposición beta-plus 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 está en un estado de menor energía.
Esquemas de descomposición beta
El diagrama del esquema de desintegración adjunto muestra la desintegración beta del cesio-137. 137Cs se destaca por un pico gamma característico a 661 KeV, pero en realidad lo emite el radionúclido hijo 137mBa. El diagrama muestra el tipo y la energía de la radiación emitida, su abundancia relativa y los nucleidos hijos después de la descomposición.
El fósforo-32 es un emisor beta ampliamente utilizado en medicina y tiene una vida media corta de 14,29 días y se desintegra en azufre-32 por desintegración beta como se muestra en esta ecuación nuclear:
32
15P→ 32
16S1++ e) + .
Se liberan 1,709 MeV de energía durante la descomposición. La energía cinética del electrón varía con un promedio de aproximadamente 0,5 MeV y el resto de la energía es transportado por el antineutrino electrónico casi indetectable. En comparación con otros nucleidos emisores de radiación beta, el electrón tiene una energía moderada. Está bloqueado por alrededor de 1 m de aire o 5 mm de vidrio acrílico.
Interacción con otra materia
De los tres tipos comunes de radiación que emiten los materiales radiactivos, alfa, beta y gamma, la beta tiene un poder de penetración medio y un poder de ionización 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 de beta puedan estar completamente protegidos por escudos tan delgados: a medida que se desaceleran en la materia, los electrones beta emiten rayos gamma secundarios, que son más penetrantes que los beta per se. El blindaje compuesto de materiales con menor peso atómico genera rayos gamma con menor energía, lo que hace que estos escudos sean un poco más efectivos por unidad de masa que los que están hechos de materiales de alto Z como el plomo.
Al estar compuesta de partículas cargadas, la radiación beta es más fuertemente ionizante que la radiación gamma. Al pasar a través de la materia, una partícula beta es desacelerada por interacciones electromagnéticas y puede emitir rayos X de bremsstrahlung.
En el agua, la radiación beta de muchos productos de fisión nuclear suele superar la velocidad de la luz en ese material (que es un 75 % de la de la luz en el vacío) 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 piscina se puede visualizar a través del agua transparente que cubre y protege el reactor (ver ilustración a la derecha).
Detección y medición
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 de gas se usa en cámaras de iones y contadores Geiger-Müller, y la excitación de centelleadores se usa en contadores de centelleo. La siguiente tabla muestra las cantidades de radiación en unidades SI y no SI:
| Cantidad | Dependencia | Signatura | Derivación | Año | SI equivalente |
|---|---|---|---|---|---|
| ActividadA) | becquerel | Bq | s−1 | 1974 | SI unit |
| Curie | Ci | 3.7 × 1010 s−1 | 1953 | 3.7×1010Bq | |
| rutherford | Rd | 106 s−1 | 1946 | 1,000,000 Bq | |
| ExposiciónX) | coulomb por kilogramo | C/kg | C⋅kg−1 aire | 1974 | SI unit |
| röntgen | R | esu / 0,001293 g de aire | 1928 | 2.58 × 10−4 C/kg | |
| Dosis AbsorbidaD) | gris | Gy | J⋅kg−1 | 1974 | SI unit |
| erg por gramo | erg/g | erg⋅g−1 | 1950 | 1.0 × 10−4 Gy | |
| rad | rad | 100 erg⋅g−1 | 1953 | 0,010 Gy | |
| Dosis equivalenteH) | Sievert | Sv | J⋅kg−1 × WR | 1977 | SI unit |
| hombre equivalente | rem | 100 erg⋅g−1 x WR | 1971 | 0,010 Sv | |
| Dosis efectivaE) | Sievert | Sv | J⋅kg−1 × WR × WT | 1977 | SI unit |
| hombre equivalente | rem | 100 erg⋅g−1 × WR × WT | 1971 | 0,010 Sv |
- El gris (Gy), es la unidad SI de dosis absorbida, que es la cantidad de energía de radiación depositada en el material irradiado. Para la radiación beta esto es numéricamente igual a la dosis equivalente medida por el sieverto, lo que indica el efecto biológico estocástico de los bajos niveles de radiación en el tejido humano. El factor de conversión de ponderación de radiación de dosis absorbida a dosis equivalente es 1 para beta, mientras que las partículas de alfa tienen un factor de 20, reflejando su mayor efecto ionizante en el tejido.
- El rad es la unidad CGS deprecatada para la dosis absorbida y el rem es la unidad CGS deprecada de dosis equivalente, utilizada principalmente en los EE.UU..
Aplicaciones
Las partículas beta se pueden usar para tratar afecciones de salud como el cáncer de ojos y huesos y también se usan como marcadores. El estroncio-90 es el material más comúnmente utilizado para producir partículas beta.
Las partículas beta también se utilizan en el control de calidad para probar el grosor de un artículo, como el papel, que pasa por un sistema de rodillos. Parte de la radiación beta se absorbe al atravesar el producto. Si el producto se hace demasiado espeso o delgado, se absorberá una cantidad de radiación correspondientemente diferente. Un programa de computadora que monitorea 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 golpean el fósforo, lo que hace que el fósforo emita fotones, como el 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 positrones) de un isótopo trazador radiactivo es la fuente de los positrones utilizados en la tomografía por emisión de positrones (PET).
Historia
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:
- partículas alfa que no aparecieron en las placas Becquerel porque fueron fácilmente absorbidas por el papel negro envolvente
- partículas beta que son 100 veces más penetrantes que las partículas alfa.
Publicó sus resultados en 1899.
En 1900, Becquerel midió la relación masa-carga (m/e) de partículas beta por el método de J. J. Thomson utilizado para estudiar los rayos catódicos e identificar el electrón. Encontró que e/m para una partícula beta es lo mismo que para el electrón de Thomson, y por lo tanto sugirió que la partícula beta es de hecho un electrón.
Salud
Las partículas beta penetran moderadamente en el tejido vivo y pueden causar mutaciones espontáneas en el ADN.
Las fuentes beta se pueden usar en la radioterapia para eliminar las células cancerosas.
Contenido relacionado
Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable
Diagrama de fases
Ecuación de Gibbs-Helmholtz