Partícula beta

Las partículas beta ( partículas beta en inglés  , Betateilchen en alemán , partículas β ) son electrones y positrones que salen volando de los núcleos atómicos de algunas sustancias radiactivas durante la desintegración beta radiactiva . La dirección del movimiento de las partículas beta es cambiada por campos magnéticos y eléctricos , lo que indica la presencia de una carga eléctrica en ellas. Las velocidades de los electrones alcanzan 0,998 la velocidad de la luz . Las partículas beta ionizan los gases , provocan la luminiscencia de muchas sustancias que actúan sobre las películas fotográficas. El flujo de partículas beta se llama radiación beta. 

Las partículas beta son partículas cargadas y, por lo tanto, interactúan intensamente con la materia a lo largo de todo su recorrido. Dejan tras de sí un rastro de átomos y moléculas ionizados . Cuando se detecta en cámaras de niebla y cámaras de burbujas en un campo magnético , la pista se retuerce, lo que permite que las partículas beta se identifiquen por su relación carga- masa .

Se sabe que más de 1500 núcleos emiten partículas beta durante la descomposición [1] .

Historia

Tras el descubrimiento por Henri Becquerel en 1896 de la radiación radiactiva, se inició su investigación activa. En 1899, Ernest Rutherford publicó un artículo en el que mostraba que se emitían varios tipos de partículas: partículas pesadas cargadas positivamente con un poder de penetración bajo, llamadas radiación alfa , y partículas ligeras cargadas negativamente con un alcance cien veces mayor en la materia. que él llamó radiación beta. En 1900, Becquerel, al medir la relación entre la carga de las partículas beta y su masa, demostró que estas partículas son electrones.

En 1930, mientras desarrollaba la teoría de la desintegración beta , Enrico Fermi propuso que las partículas beta no están contenidas en el núcleo, sino que son producidas por la desintegración de un neutrón. La teoría de Fermi más tarde se convirtió en la base para la construcción de teorías modernas de interacción débil .

Tipos de partículas beta

Hay dos tipos de desintegración beta y, en consecuencia, dos tipos de partículas beta, que se forman:

• β - partícula- electrón . Se forma durante la desintegración de un neutrón según el esquema , donde n es un neutrón, p +  es un protón , e -  es un electrón,  es un antineutrino. Según este esquema, tanto los neutrones libres como muchos isótopos naturales con un exceso de neutrones se desintegran.
• β + partícula - positrón . Se forma durante la desintegración de un protón según el esquema . Según este esquema, los núcleos pesados ​​se desintegran.

Fuentes de radiación

Directamente, las partículas beta se forman durante la desintegración de un bosón W virtual cargado en un electrón y un antineutrino. Un bosón, a su vez, se forma por la descomposición de un quark d, que está en un neutrón, en un quark u y un bosón W. En el caso del decaimiento del positrón, todas estas reacciones ocurren con signos opuestos: el quark u en el protón se desintegra con la formación de un quark d y un bosón W + , que se desintegra en un positrón y un neutrino.

Durante la desintegración beta, además de las partículas beta, a menudo también se forman cuantos gamma, por lo que los emisores beta puros tienen una aplicación práctica más amplia. Estos incluyen nucleidos [2] :

• Hidrógeno-3 ( tritio )
• Hierro-55
• Níquel-63
• Krypton-85
• estroncio-90
• Itrio-90
• Rutenio-106
• Rodio-106
• Cerio-144
• praseodimio-144
• prometio-147
• Talio-204
• plutonio-238

y otros.

Estructuralmente, las fuentes de partículas beta son una cápsula que contiene un isótopo radiactivo y un orificio a través del cual se emiten las partículas.

Espectro

A diferencia de las partículas alfa , cuyo espectro tiene picos pronunciados, el espectro de las partículas beta es continuo. Esto se debe al hecho de que durante la desintegración del bosón W , la energía se distribuye arbitrariamente entre los dos productos de esta desintegración, y es posible cualquier combinación de energías de neutrinos y electrones. La energía máxima de una partícula beta depende del tipo de desintegración y es igual a [M (A, Z) -M (A, Z + 1) -m e ]c 2 para β - y [M (A, Z ) -M (A, Z-1) -m e ]c 2 para β + , donde M (A, Z) es la masa del núcleo del nucleido con número de serie Z y el número de nucleones en el núcleo A [3] .

La energía máxima de las partículas beta oscila entre 18,6 kiloelectronvoltios ( desintegración del tritio ) y 20 MeV (desintegración del litio-11)

Además, el rango de energía de las partículas beta cambia debido a la acción de las fuerzas de Coulomb que ralentizan los electrones y aceleran los positrones.

El espectro de energía específico de las partículas beta se describe mediante la siguiente ecuación [4] :

donde γ es la energía en unidades de mc 2 , es decir, E/mc 2 , N (γ) dγ es la fracción de núcleos que emiten partículas beta con energía γ por unidad de tiempo, f (Z, γ) es una función que expresa la acción de Fuerzas de Coulomb sobre partículas, | metro | 2  - el cuadrado del elemento de la matriz determina la probabilidad de decaimiento, γ 0  es la energía de decaimiento límite y G es una constante.

En algunos casos, la desintegración beta ocurre con la excitación del estado del núcleo, cuya energía luego se transfiere a los electrones desde la capa de electrones del átomo. Este fenómeno se llama conversión interna . En este caso, el espectro de partículas beta tiene varios picos pronunciados [5] .

El espectro de partículas beta se examina utilizando un espectrómetro beta .

Interacción con la materia

Longitud de tirada promedio

Las partículas beta interactúan con los electrones y los núcleos de la materia hasta que se detienen. El alcance de las partículas beta depende de su energía. El rango efectivo (espesor de la capa de sustancia, que detiene casi todas las partículas) se presenta en la tabla [6] :

En la mayoría de los casos, una pantalla de plexiglás de 1 a 2 cm de espesor [7] o una lámina de metal de 3 a 5 mm de espesor son suficientes para proteger contra las partículas beta.

Interacción con capas de electrones

En colisiones con átomos, una partícula beta puede ionizar un átomo o transferirlo a un estado excitado. Ambos eventos tienen probabilidades aproximadamente iguales y la energía perdida de esta manera se llama pérdida por ionización.

La pérdida de energía promedio por un electrón al pasar a través de una capa de materia simple se puede expresar mediante la siguiente fórmula, descubierta por Landau [5] :

donde Δx es el grosor de la capa de sustancia, ρ es la densidad de la sustancia, β es la velocidad del electrón en unidades de c, Z y A son la carga y la masa del elemento.

Sin embargo, esta fórmula debe aplicarse con precaución a las partículas beta reales, ya que describe un haz de electrones monocromático, y en su haz natural siempre existen electrones de diferentes energías, que se ralentizarán a diferentes velocidades.

Interacción con núcleos atómicos

Al interactuar con un núcleo , los electrones pueden dispersarse una o varias veces en el campo de Coulomb del núcleo. Una característica de las partículas beta es que, debido a su pequeña masa, su momento puede cambiar mucho durante la dispersión, lo que conduce a la bremsstrahlung . Para electrones de alta energía, dicha radiación es un canal de pérdida de energía más significativo [6] . Los cuantos gamma emitidos pueden, a su vez, eliminar electrones, lo que conduce a la formación de cascadas de electrones en la materia. La energía de las partículas beta, en la que las pérdidas por radiación se igualan con las pérdidas por ionización, se denomina energía crítica. Dependiendo de la sustancia, la energía crítica puede oscilar entre 83 MeV (aire) y 7 MeV (plomo); por lo tanto, dado que la energía de las partículas producidas por la desintegración beta rara vez supera los 5 MeV, este canal no es el principal.

Debido a la dispersión en los núcleos, las partículas beta cambian fuertemente la dirección de su movimiento: el ángulo de desviación promedio de una partícula beta es proporcional a la raíz cuadrada del espesor de la capa de materia que pasa, y con una capa suficientemente gruesa, no es ya es posible hablar de la dirección del movimiento de los electrones, y su movimiento se parece más a la difusión [5] .

Radiación de Cherenkov

Dado que las velocidades de las partículas beta, por regla general, son cercanas a la velocidad de la luz, cuando ingresan a un medio transparente, se mueven más rápido que la luz en este medio, lo que conduce a la aparición de la radiación de Cherenkov. Tal radiación es característica, por ejemplo, de los reactores nucleares que utilizan agua como moderador de neutrones.

Retrodispersión

Además, cuando las partículas beta golpean la superficie de algún material, algunas de ellas se reflejan en ángulos grandes (> 90 °). Este fenómeno se denomina retrodispersión . La parte de las partículas reflejadas en ángulos grandes después de caer sobre la superficie de una sustancia se denomina coeficiente de retrodispersión. Este coeficiente depende cualitativamente del número atómico de la sustancia, la energía de las partículas incidentes y el espesor de la capa de la sustancia de la siguiente manera [5] :

1. Aumenta en proporción a la carga del núcleo a la potencia de 2/3
2. Aumenta en proporción al grosor de la capa de la sustancia, hasta que llega a ser igual a aproximadamente 1/5 de la longitud del camino efectivo de las partículas beta en esta sustancia, después de lo cual el crecimiento adicional deja de afectar el coeficiente. Este espesor se denomina espesor de saturación.
3. Aumenta con el aumento de la energía máxima de las partículas beta hasta 0,6 MeV, después de lo cual permanece prácticamente sin cambios.

Detección de partículas beta

La forma principal de detectar partículas beta es medir la ionización que crean [5] . Para la detección de partículas de energías relativamente bajas, los contadores llenos de gas (como el contador Geiger-Muller ) o los contadores de estado sólido son los más comunes. Para detectar electrones de energías más altas, se utilizan contadores que registran la radiación de Cherenkov creada por partículas rápidas.

Uso

Terapia beta

Las partículas beta se utilizan en medicina: irradiación con electrones producidos durante la desintegración beta. La terapia beta es un tipo de radioterapia y se usa para tratar tumores y otros cambios patológicos en los tejidos. Hay varias formas de terapia beta: se pueden aplicar aplicadores radiantes en las áreas afectadas del cuerpo, o se pueden administrar soluciones que contienen isótopos radiactivos por vía intracavitaria [8] .

Medición del espesor de capas delgadas

Usando el fenómeno de la retrodispersión, es posible determinar con mucha precisión el espesor de capas delgadas de materia, como el papel; hasta cierto valor, el número de electrones reflejados aumenta en proporción al espesor de la capa de materia. Además, tales mediciones pueden llevarse a cabo midiendo la proporción de partículas beta absorbidas por la sustancia [9] . Con la ayuda de la retrodispersión, también es posible medir el espesor del recubrimiento sin dañarlo [5] .

Luz de fondo

Dado que las partículas beta producen un brillo cuando golpean una superficie cubierta con fósforo , se utilizan para crear fuentes de luz muy duraderas: para hacer esto, se aplica una pequeña cantidad de un isótopo emisor (por ejemplo, tritio ) a la superficie que servir como fuente de luz y, además, recubierto con un fósforo. Las partículas beta emitidas por el isótopo hacen que la superficie brille durante décadas. Por lo tanto, las manecillas de los relojes y otros dispositivos a menudo se destacan [10] .

Efectos en el cuerpo

Las partículas beta son bien retenidas por la ropa, por lo que son peligrosas, en primer lugar, si entran en contacto con la piel o el interior del cuerpo. Entonces, después del desastre de Chernobyl , las personas sufrieron quemaduras beta en los pies porque caminaron descalzos [7] .

El factor principal en la influencia de la radiación beta en el cuerpo es la ionización que crea. Puede conducir a trastornos metabólicos en la célula y además a su muerte. Especialmente peligrosa es la liberación de energía de partículas beta junto a la molécula de ADN , lo que conduce a mutaciones potencialmente peligrosas desde el punto de vista oncológico [11] . En el caso de altas dosis de radiación, la muerte simultánea de un gran número de células en los tejidos puede provocar sus cambios patológicos ( enfermedad por radiación ). Los más vulnerables a la radiación son las membranas mucosas , los órganos hematopoyéticos . La muerte de las células nerviosas es peligrosa debido a su baja tasa de recuperación.

La eficacia biológica relativa de la radiación beta es igual a uno (en comparación, para las partículas alfa esta cifra es 20), porque la energía transportada por una partícula beta es relativamente pequeña [12] .

Además, los cuantos gamma de bremsstrahlung creados por partículas beta cuando se mueven en la materia tienen un poder de penetración mucho mayor y, por lo tanto, pueden conllevar un peligro adicional [13] .

Radiación delta y épsilon

Existen otros tipos de radiación cuyas partículas son electrones.

Los electrones eliminados por las partículas de los átomos durante la ionización forman la llamada radiación delta [14] . Las partículas delta (o electrones delta) son electrones como las partículas beta, sin embargo, su energía rara vez supera 1 keV y el espectro difiere del de las partículas beta. Los electrones delta también pueden, a su vez, eliminar otros electrones, provocando la ionización terciaria . Los electrones eliminados por las partículas delta se denominan partículas épsilon.

Notas

1. ↑ Beta - Decay Archivado el 13 de diciembre de 2016 en Wayback Machine  (ruso)
2. ↑ FUENTES DE RADIACIÓN IONIZANTE Archivado el 25 de noviembre de 2016 en Wayback Machine  (ruso)
3. ↑ Beta Decay Archivado el 6 de enero de 2022 en Wayback Machine  (ruso)
4. ↑ Desintegración radiactiva Archivado el 1 de mayo de 2021 en Wayback Machine  (ruso)
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Interacción de las partículas beta con la materia Copia de archivo fechada el 5 de enero de 2017 en Wayback Machine  (ruso)
6. ↑ 1 2 Interacción de partículas con materia Archivado el 20 de noviembre de 2016 en Wayback Machine . 
7. ↑ 1 2 Radiación beta Archivado el 28 de julio de 2020 en Wayback Machine  (ruso)
8. ↑ Terapia beta . Consultado el 1 de mayo de 2021. Archivado desde el original el 6 de enero de 2017. (indefinido)
9. ↑ Beta Radiation in Thickness Control Archivado el 6 de enero de 2017 en Wayback Machine . 
10. ↑ Tritium: Radiactively Illuminated Clock Archivado el 17 de noviembre de 2016 en Wayback Machine  (ruso)
11. ↑ b-RADIACIÓN, SU IMPACTO EN LA SALUD HUMANA Copia de archivo del 28 de noviembre de 2016 en Wayback Machine  (ruso)
12. ↑ APLICACIÓN DE ISOTOPOS EN QUÍMICA E INDUSTRIA QUÍMICA  (rus.)
13. ↑ Fuentes de luz de tritio gaseoso (GTLS) y dispositivos de luz de tritio gaseoso (GTLD) Archivado el 8 de octubre de 2015 en Wayback Machine . 
14. ↑ Rayo Delta Archivado el 10 de agosto de 2020 en Wayback Machine . 

Literatura

• Enciclopedia soviética ucraniana : en 12 volúmenes = Enciclopedia radiana  ucraniana (ucraniano) / Ed. M. Bazhan . - 2da vista. - K. : Gol. edición de URE, 1974-1985.
• Pequeña enciclopedia de montaña . En 3 volúmenes = Enciclopedia de mano pequeña / (En ucraniano). ed. V. S. Beletsky . - Donetsk: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .

diccionarios y enciclopedias	Gran danés gran noruego gran noruego gran ruso Britannica (en línea)
En catálogos bibliográficos	J9U : 987007284767405171 LCCN : sh85013449