Decaimiento Radiactivo Beta. Paradigma de una Explicación

Decaimiento Radiactivo Beta. Paradigma de una Explicación Científica
Luis Alberto Peña Valdés
Comisión Chilena de Energía Nuclear
E-mail: lpena@cchen.cl
Introducción
Una explicación es una respuesta a un interlocutor de un hecho el cual se describe de
manera adecuada con el objetivo de que éste lo acepte como válido.
Una explicación científica, básicamente, es lo mismo, sólo que se debe explícitar algunas
condiciones en su definición al enunciarla, las que deben de estar de manifiesto en el
momento de proceder a formular la explicación de un fenómeno.
En este trabajo se entrega una definición de acuerdo con la presentación que hace H.
Maturana (1) para luego ilustrarla con el decaimiento beta (negativo) cerrándose con un
comentario a modo de conclusión donde se subraya el carácter de la presentación.
El objetivo es ilustrar una estructura, que conociéndose, no es expuesta debidamente, en los
distintos quehaceres en que el método o simplemente la palabra ciencia esta presente.
Explicación científica
Definición:
Una explicación científica es una reformulación del fenómeno universalmente aceptada.
Satisface cuatro condiciones:
1. Debe haber una descripción del fenómeno a explicar.
2. Formulación de la hipótesis: Proponer un mecanismo, una ley, una fórmula, que genera
el fenómeno a explicar.
3. A partir de la hipótesis, del mecanismo propuesto, se debe ser capaz de deducir otros
fenómenos.
4. Los fenómenos explicados y deducidos deben ser validados (experimentalmente).
Decaimiento beta
Previamente consideremos una ordenación de los núcleos existentes en la naturaleza
identificados por su Z, número atómico (nº de protones) y su A, número másico,
correspondiente al número total de nucleones (protones más neutrones).
Los núcleos así identificados (Z, A) se denominan nuclidos.
Todos los nuclidos existentes en la naturaleza son estables.
La ordenación antes mencionada se representa en un gráfico Z (nº de protones) vs N
(nº de neutrones).
Gráfico de los Nuclidos Estables
El gráfico Z versus N (nº de protones vs nº de neutrones) es una distribución discreta de
nuclidos estables (naturales), la cual sigue en principio una tendencia lineal, igual número
de protones que de neutrones, para luego “aplanarse”, o sea, aumenta el número de
neutrones respecto al número de protones.
Nº de Protones: Z
160
140
120
100
80
60
40
Linea de tendencia
inicial
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Nº de Neutrones: N
Nótese que para un mismo Z existe más de un nuclido estable, en la mayoría los puntos,
debido a la existencia de los isótopos.
Análogamente para N, los núcleos que tienen el mismo número de neutrones se denominan
isótonos.
Tabla de Nuclidos
Comprende la representación en Z vs N de todos los nuclidos existentes, naturales o
artificiales (2)
Sólo los estables están en un cuadro negro en cuyo interior esta el Símbolo del Nuclido con
su número másico, A, y su abundancia isotópica expresada en porcentaje.
C 11
20.3m
C 12
98.89
C 13
1.11
C 14
5730a
Tabla de Nuclidos, vista parcial
Z
17
Cl 31 Cl 32 Cl 33 Cl 34Cl35 Cl36Cl37
16
S 27 S 28 S 29 S 30 S 31 S32 S33 S34 S35 S36
15
P 26 P 27 P 28 P 29 P 30 P31 P32 P33 P34
14
Si 22 Si 23 Si 24 Si 25 Si 26 Si 27 Si28 Si29 Si30 Si31 Si32 Si33
13
Al 22 Al 23 Al 24 Al 25 Al 26 Al27 Al28 Al29 Al30 Al31 Al32
Mg20Mg21Mg22Mg23 Mg24 Mg25 Mg26 Mg27 Mg28 Mg29Mg30Mg31
12
11
Na20 Na21 Na22 Na23 Na24 Na25 Na26 Na27 Na28Na29Na30
10
Ne17Ne18 Ne19 Ne20 Ne21 Ne22 Ne23 Ne24 Ne25 Ne26 Ne27Ne28Ne29Ne30
9
F 17 F 18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29
8
O13 O14 O 15O16 O17 O18 O19 O20 O21 O22 O23 O24
7
N12 N13 N14 N15 N16 N17 N18 N19 N20 N21 N22 N23
6
C 9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20
5
B 8 B 9 B10 B11 B12 B13 B14 B15
Be14
4
Be7 Be8 Be 9Be10Be11Be12
3
Li 6 Li 7 Li 8 Li 9
2
He3 He4 He5He6
He8
1 H 1H 2 H 3
0
n
0 1 2 3 4
5 6
7
8
9 10 11 12
13 14
15
16 17 18 19 20 N
Características de la Tabla de Nuclidos
•
•
•
En la horizontal se encuentran los isótopos, en la diagonal están los isóbaros (igual A).
No existen isóbaros estables de Z consecutivo.
Los elementos de Z impar son menos abundantes que sus vecinos de Z par ( ver Tc 43 y
el Pm 61).
•
Existen núcleos particularmente estables, que tienen protones o neutrones en número de
2, 8, 20, 50, 82, 126. (capas nucleares) Ej 4He2 , 16O8 , 40Ca20 , 206Pb82 .
En la naturaleza son más abundantes los de Z bajo.
•
Propiedades de los Nuclidos que están fuera de la Región de Estabilidad
•
Estos están pintados de colores, azul, rojo y amarillo y su principal característica es la
de ser inestables.
Presentan un exceso de protones o neutrones en relación a los que se encuentran
dentro de la región de estabilidad.
Tienden a estabilizarse, liberando protones o neutrones
Los Nuclidos inestables no pueden liberar directamente, partículas elementales, por lo
cual lo hacen a través de Mecanismos de Estabilización Nuclear.
•
•
•
Decaimiento Beta, β .
Los Nuclidos que se encuentran debajo de la región de estabilidad tienen un exceso de
neutrones o un déficit de protones, para alcanzar la estabilidad deben
perder neutrones o ganar protones
Nº de Protones: Z
100
90
80
70
60
Gana protones
50
40
Pierde neutrones
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
Nº de Neutrones: N
Aceptemos que el neutrón (A) formado por un protón (+) y un electrón (-) y que el
neutrón es susceptible de desdoblarse saliendo eyectado un electrón (-) desde el núcleo con
gran energía, este electrón de origen nuclear se denomina rayo β.
Así el núcleo pierde un neutrón, aproximándose por la diagonal a la región de estabilidad.
Estos están pintados de color azul en la tabla de nuclidos.
Representaciones
Representación Química
En la forma de una expresión química el decaimiento beta de un nuclido cualquiera X que
transmuta a uno Y por emisión beta(-), se anota:
A
Z
X→ ZA+1Y + β
Representación pictórica:
±
±
+
+
±
±
± ±
±
+
+
+
Representación nuclear, notación radioquímica.
Ejemplo representación del decaimiento beta del Teluro-131
131
T
β131
I
±
± +
+
+ -
Espectro de Energía para la radiación beta.
Es un registro gráfico de la intensidad de la emisión versus la energía de las partículas
eyectadas desde el núcleo.
I:ctas
Espectro β
E
Energía de Corte
(máxima)
Características del espectro beta
El espectro β es continuo, es decir, presenta distintos y variados valores de energía para
cada valor de intensidad. Esto significa que a veces el beta sale con una energía y otras
veces con otra, la emisión beta no tiene un valor constante en la energía.
No existiendo un único valor para la energía de la emisión β, se conviene en caracterizarla
con su valor máximo, la energía de corte.
Esta característica esta violando los Principios de Conservación de la Energía (y también de
la cantidad de movimiento).
Explicación del fenómeno
Para salvar los Principios de Conservación, Fermi supuso que en cada desintegración β¯
otra partícula es emitida al mismo tiempo. La energía total es compartida al azar entre el
beta (-) y esta segunda partícula, que acompaña a la desintegración β¯.
Esta segunda partícula, no observable en ese entonces, tendrá que tener una masa muy
pequeña y carga nula, por la que Fermi la llamó neutrino
Después de esta hipótesis se pudo encontrar la prueba experimental de la existencia del
neutrino
Entonces, para la emisión beta (-) se tiene el desdoblamiento del neutrón siguiente:
neutrón → protón + β¯ + neutrino
Comentario final
Se ha entregado una explicación científica del fenómeno de decaimiento nuclear beta, en
base al concepto de estabilidad.
Para que esta sea consistente con los principios de conservación, fue necesario predecir la
existencia de otra partícula con determinadas propiedades, el neutrino (se postula en1931),
cuya existencia es verificada posteriormente (en 1956) de manera experimental.
Hoy en día el neutrino, por sus características energéticas, trasciende desde la física nuclear
a los estudios astronómicos como producto de las reacciones de fusión en las estrellas,
formando la parte de la radiación cósmica más penetrante.
Uno de los primeros resultados de la neutrinoastronomía ha sido la determinación de la
temperatura central del Sol, unos 14 millones de grado.
Referencias
1. H. Maturana, Revista Tecnología Educativa. Vol. 3 nºs. 3,4 1983.
2. W. Seelmann et al., Chart of the Nuclides, Institut für Radiochemie, Karlsruhe,
6.Auflage 1995
3. I. Kaplan, Nuclear Physics, Addison-Wesley 1990
4. R. Sproull, Elements de Physique Moderne, Mason 1967