Emissão beta

A emissão beta, desintegração beta ou decaimento beta é o processo pelo qual um núcleo instável pode transformar-se em outro núcleo mediante a emissão de uma partícula beta, alterando o seu número de prótons e número de nêutrons sem variar o número total de núcleons. A partícula beta pode ser um elétron, escrevendo-se ${\displaystyle \beta ^{-}}$, ou um pósitron, ${\displaystyle \beta ^{+}}$. Um terceiro tipo de desintegração é a captura eletrônica. ^[1]

Decaimento beta.

Em contextos aplicados, radiações beta são empregadas em técnicas de medicina nuclear, como a tomografia por emissão de pósitrons (PET), em procedimentos de radioterapia superficial, em medidores de espessura industriais e em métodos de datação radiométrica.

Decaimento beta negativo ( β − {\displaystyle \beta ^{-}} )

O decaimento ${\displaystyle \beta ^{-}}$ ocorre em núcleos com excesso de nêutrons. Um nêutron livre converte-se em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino do elétron. O elétron (${\displaystyle e^{-}}$) também pode ser escrito como ${\displaystyle \beta ^{-}}$, abaixo é a reação nuclear:

${\displaystyle \mathrm {n} \rightarrow \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

Como consequência, o número atômico do núcleo aumenta em uma unidade, enquanto o número de massa permanece inalterado.

Esse processo é descrito pela 2ª Lei da Radioatividade, que estabelece como os números nucleares se modificam durante o decaimento. O processo pode ser generalizado da seguinte maneira:

${\displaystyle _{Z}^{A}X\rightarrow _{Z+1}^{A}X'+\,_{-1}^{0}\beta ^{-}+\,_{0}^{0}{\overline {\nu }}_{e}}$

Espectro de energia do decaimento ${\displaystyle \beta ^{-}}$

Espectro da Energia Cinética das partículas β −${\displaystyle \beta ^{-}}$ , juntamente com a contribuição da energia pelo elétron e pelo antineutrino.

A presença do neutrino torna o processo um decaimento de três corpos, de modo que a energia disponível é distribuída continuamente entre o elétron e o antineutrino. Dessa forma, o espectro de energia cinética do elétron apresenta um caráter contínuo.

À direita é possível visualizar a figura que expressa a intensidade das partículas ${\displaystyle \beta ^{-}}$ emitidas por um radionuclídeo de Bi-210. A energia cinética máxima no ponto mais à direita da figura, corresponde ao valor para o qual o antineutrino possui apenas sua energia de repouso, garantindo a conservação da energia total.

Decaimento beta positivo ( β + {\displaystyle \beta ^{+}} )

O decaimento ${\displaystyle \beta ^{+}}$ ocorre em núcleos com excesso de prótons. Nesse processo, um próton converte-se em um nêutron, emitindo um pósitron e um neutrino do elétron. O pósitron ( ${\displaystyle e^{+}}$) também pode ser escrito como ${\displaystyle \beta ^{+}}$. A reação nuclear pode ser representada por:

${\displaystyle \mathrm {p} \rightarrow \mathrm {n} +\mathrm {e} ^{+}+{\nu }_{e}}$

Como consequência, o número atômico do núcleo diminui em uma unidade, enquanto o número de massa permanece inalterado.

Esse processo também segue as regras estabelecidas pela 2ª Lei da Radioatividade. De forma geral, a reação pode ser escrita como:

${\displaystyle _{Z}^{A}X\;\rightarrow \;_{Z-1}^{A}X'\;+\;_{+1}^{0}\beta ^{+}\;+\;_{0}^{0}\nu _{e}}$

Além disso, para que o decaimento ${\displaystyle \beta ^{+}}$ ocorra, a energia liberada deve ser suficiente para criar o pósitron, exigindo um excedente de pelo menos duas massas de elétron entre o núcleo inicial e o final.

Espectro de energia do decaimento ${\displaystyle \beta ^{+}}$

Espectro de energia cinética das partículas ${\displaystyle \beta ^{+}}$ emitidas juntamente com a contribuição de energia pelo pósitron e pelo neutrino.

No decaimento ${\displaystyle \beta ^{+}}$ o espectro de energias, como é possível observar à direita, apresenta uma distribuição característica na qual há um número reduzido de pósitrons emitidos com baixas energias. Esse comportamento decorre da interação eletromagnética entre o pósitron e o núcleo, que tende a repelir partículas de carga positiva e, portanto, desfavorece a emissão de pósitrons muito lentos.

Assim como no decaimento ${\displaystyle \beta ^{-}}$, a intensidade do espectro diminui até atingir zero em uma energia máxima bem definida. Esse limite superior corresponde ao caso em que o neutrino é emitido praticamente apenas com sua massa de repouso, de modo que o pósitron recebe a maior fração possível da energia disponível, garantindo a conservação da energia no processo.

Captura Eletrônica (CE)

Outra possibilidade de transição nuclear em núcleos ricos em prótons é a captura eletrônica (CE), processo no qual um elétron orbital é capturado pelo núcleo, convertendo um próton em nêutron, mais um neutrino do elétron.

${\displaystyle \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}\rightarrow \mathrm {n} +{\nu }_{e}}$

Quando o núcleo resultante permanece em estado excitado, ocorre posteriormente a emissão de radiação gama:

${\displaystyle \mathrm {n} +\mathrm {\nu _{e}} \rightarrow \mathrm {n} +\gamma }$

A reação pode ser generalizada da seguinte forma:

${\displaystyle _{Z}^{A}X+\,_{-1}^{0}e^{-}\rightarrow \,\ _{Z-1}^{A}X'^{*}+\,_{0}^{0}\nu _{e}\rightarrow \,\ _{Z-1}^{A}X'+\gamma }$

Onde ${\displaystyle X'^{*}}$ representa o núcleo em estado excitado. A captura eletrônica é um processo que compete com o decaimento ${\displaystyle \beta ^{+}}$, para casos em que a conversão do próton em nêutron não consegue atingir a energia mínima necessária para a produção do pósitron.

Interação com a matéria

Partículas beta perdem energia ao interagir com a matéria por meio de ionização, excitação eletrônica e emissão de radiação de freamento (Bremstrahlung). A atenuação resultante pode ser descrita pela Lei de Beer-Lambert:

${\displaystyle I=I_{0}\cdot e^{-\eta x}}$

Onde onde ${\displaystyle I}$ é a taxa de contagens medida após atravessar uma espessura ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle I_{0}}$ é a taxa sem absorvedor e ${\displaystyle \eta }$ é o coeficiente de atenuação linear.

Dada a densidade ${\displaystyle \rho }$ de um determinado material, representar ${\displaystyle x}$ em função da espessura mássica ${\displaystyle x\rho }$ é mais conveniente, pois permite comparar diferentes materiais sob uma mesma base física, já que o coeficiente de atenuação mássico ${\displaystyle {\frac {\eta }{\rho }}}$ independe da densidade do absorvedor.

Ver também

• Captura eletrônica
• Neutrino
• Radiação corpuscular
• Radioisótopo
• Núcleo atômico
• Átomo

Referências

1. Decaimento Radioativo

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