Desintegración beta ( β )
La desintegración beta es un tipo de transformación nuclear gobernada por la interacción débil. En este proceso, un neutrón puede convertirse en un protón (β⁻) o un protón en un neutrón (β⁺) mediante un cambio de sabor en los quarks.
Durante la transformación se emite un bosón virtual $W$, que casi de inmediato se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico (β⁻), o en un positrón y un neutrino electrónico (β⁺).
Este mecanismo modifica el equilibrio entre protones y neutrones, lo que permite al núcleo alcanzar una configuración más estable.
¿Cuándo ocurre?
La desintegración beta se produce cuando el núcleo contiene un exceso o un déficit de neutrones respecto a los protones.
En esos casos, la interacción débil convierte un neutrón en un protón (β⁻) o un protón en un neutrón (β⁺), restableciendo así un equilibrio más estable.
La desintegración β⁻ también puede darse en neutrones libres, que son inestables fuera del núcleo y se transforman espontáneamente en protones.
Nota. La desintegración beta genera también radiación beta, compuesta por electrones (β⁻) o positrones (β⁺), acompañados de un neutrino o antineutrino. Esta radiación transporta la energía excedente liberada durante la transformación nuclear.
Desintegración β-
Cuando un núcleo tiene un exceso de neutrones, puede estabilizarse convirtiendo un neutrón en un protón.
¿Cómo se convierte un neutrón en un protón?
A nivel subatómico, esto sucede cuando un quark down dentro del neutrón se transforma en un quark up.
Cuando un quark down $(-\tfrac13 e)$ interactúa con el campo débil (campo W), puede transformarse en un quark up $(+\tfrac23 e)$, aumentando su carga en $+1e$.
Para conservar la carga total del sistema, al mismo tiempo se emite un bosón virtual $W^-$, que con su carga $-1e$ compensa exactamente el incremento de $+1e$ del quark.
$$ d^{-\frac13} \;\longrightarrow\; d^{-\frac13+1} + W^{-1} \;\longrightarrow\; u^{+\frac23} + W^{-1} $$
En otras palabras:
$$ d \;\longrightarrow\; u + W^- $$
El bosón $W^-$ inestable se desintegra casi al instante en un electrón y un antineutrino electrónico:
$$ W^- \;\longrightarrow\; e^- + \bar{\nu}_e $$
El resultado final es la conversión de un neutrón en un protón:
$$ n \;\longrightarrow\; p + e^- + \bar{\nu}_e $$
El proceso puede representarse con un diagrama de Feynman:
Aquí se emiten un electrón y un antineutrino electrónico. En conjunto constituyen la radiación beta negativa (β⁻).
Tras la desintegración, el número atómico $Z$ del átomo aumenta en una unidad, ya que se genera un protón adicional, mientras que el número másico $A$ permanece inalterado porque el total de nucleones (protones + neutrones) no cambia.
Desintegración β+
Cuando un núcleo presenta un exceso de protones respecto a los neutrones, puede estabilizarse convirtiendo un protón en un neutrón.
¿Cómo se convierte un protón en un neutrón?
Esto ocurre cuando un quark up dentro del protón se transforma en un quark down.
Cuando un quark up $(+\tfrac23 e)$ interactúa con el campo débil, puede transformarse en un quark down $(-\tfrac13 e)$, reduciendo su carga en $1e$.
Para conservar la carga total, simultáneamente se emite un bosón $W^+$ con carga $+1e$, que compensa la pérdida de $-1e$ del quark.
$$ u^{\frac23} \;\longrightarrow\; u^{\frac23-1} + W^{+1} \;\longrightarrow\; d^{-\frac13} + W^{+1} $$
o, más simplemente:
$$ u \;\longrightarrow\; d + W^+ $$
El bosón $W^+$ inestable se desintegra casi de inmediato en un positrón y un neutrino electrónico:
$$ W^+ \;\longrightarrow\; e^+ + \nu_e $$
¿Qué es un positrón? Es la antipartícula del electrón: tiene la misma masa pero carga positiva. Es una partícula de antimateria.
El resultado global es la conversión de un protón en un neutrón:
$$ p \;\longrightarrow\; n + e^+ + \nu_e $$
El proceso puede representarse también con un diagrama de Feynman:
En este caso se emiten un positrón y un neutrino electrónico. Juntos forman la radiación beta positiva (β⁺).
Después de la desintegración, el número atómico $Z$ disminuye en una unidad porque se ha perdido un protón, mientras que el número másico $A$ permanece constante, ya que el total de nucleones sigue siendo el mismo.
Radiación gamma
En algunas desintegraciones beta también se libera radiación gamma (γ).
Esto ocurre cuando, tras la desintegración, los nucleones (protones y neutrones) del núcleo quedan en un estado excitado de mayor energía.
Al regresar a su estado fundamental, liberan el exceso de energía en forma de fotones γ, partículas de luz de altísima energía.
Nota. Este proceso es similar a las transiciones de energía de los electrones en los orbitales atómicos, pero en el caso de los nucleones la energía implicada es mucho mayor, ya que se trata de energía nuclear y no electrónica.
La radiación γ es extremadamente energética y mucho más penetrante que la radiación alfa (α) o beta (β).
El papel de los neutrinos en la desintegración beta
La energía transportada por la partícula beta y los fotones gamma no explica por sí sola toda la energía liberada en la desintegración.
La energía “faltante” es llevada por otra partícula fundamental: el neutrino.
El neutrino es una partícula subatómica de masa prácticamente nula y sin carga eléctrica. Siempre se produce en la desintegración beta para conservar la energía y el momento totales del sistema.
Existen dos tipos principales:
- Neutrino electrónico ($\nu_e$), emitido en la desintegración β⁺.
- Antineutrino electrónico ($\bar{\nu}_e$), emitido en la desintegración β⁻, con propiedades opuestas a las del neutrino.
Ejemplo de una reacción nuclear
La siguiente reacción nuclear ilustra la desintegración beta menos del torio-234. El núcleo emite un electrón ( e- ), mientras un neutrón se convierte en protón. También se libera un antineutrino ($\nu$).
El núcleo resultante deja de ser un isótopo de torio (Th) y pasa a ser un isótopo de protactinio (Pa), porque ha cambiado la composición de nucleones y el número atómico aumenta de 90 a 91, mientras que la masa atómica se mantiene en 234. El producto final es, por tanto, un elemento químico diferente.
