O que são as partículas ß+ ß- ( beta mais e beta menos) ?

As partículas betas β têm carga negativa β^– ou positiva β⁺ e são elétrons e^– ou pósitrons e⁺ respectivamente. Pósitrons são anti-partículas dos elétrons. As partículas beta têm um espectro contínuo de energia com uma energia máxima característica. O ³²P (fósforo 32) é um beta emissor, tem meia vida de 14,3 dias e energia máxima 1,7 MeV. O ⁶⁰Co (cobalto 60) tem meia vida de 5,3 anos e emite betas de 0,3 MeV, mas decai para níveis excitados do ⁶⁰Ni (níquel 60), que emite por sua vez dois raios gama de 1,33 MeV e 1,17 MeV. A partícula β^– é emitida quando um nêutron de dentro de um núcleo "se transforma" num próton emitindo um β^–,isto é, um elétron e um antineutrino ν barra. O neutrino só foi detectado muito tempo depois da predição da sua existência, mas se trata de uma partícula de carga zero, como o nêutron, que tem a massa muito menor (daí o diminutivo em italiano de nêutron) e dada a sua natureza é muito difícil de ser detectado. Na interpretação aceita hoje em dia, para o decaimento β, considera-se a existência dos quarks e das forças fracas. Mas por enquanto vamos seguir os passos históricos, embora nem sempre a ordem cronológica seja respeitada, por questões didáticas. O que foi observado ainda em fins do século XIX é que alguns átomos emitem partículas negativas com a carga de um elétron, são os átomos que conhecemos como emissores betas. Com o uso de campos elétricos e magnéticos agindo sobre partículas carregadas já se conhecia até a razão e/m do elétron.

n → p + e^- + ν : decaimento β^–.

No decaimento β^–, acima representado, é emitido um anti-neutrino, que é a anti-partícula do neutrino. A existência das anti-partículas também será discutida mais adiante, mas são conhecidas e detectadas as anti-partículas do elétron (que é o pósitron), do neutrino, do próton, do nêutron, etc...denominados pelo prefixo anti- seguido do nome da partícula correspondente.

Figura 1: Pósitron descoberto por Anderson em 1932. Um positron proveniente de raios cósmicos entra numa câmara de nuvens pela parte de baixo e sob ação de um campo magnético tem a curvatura exata de um elétron, mas com a carga oposta. Uma chapa de chumbo está colocada no centro da câmara, mas, a partícula a atravessa e continua a sua trajetória, de modo que não pode ser um próton, veja por exemplo, (Segré, From X-rays to Quarks).

Posteriormente foi observado que existe também o decaimento β⁺, correspondente à transformação de um próton em um nêutron com a emissão de um e⁺ (pósitron, isto é a anti-partícula do elétron, que tem a massa do elétron, o mesmo valor da carga, mas positiva) mais um neutrino. Como o pósitron é uma antipartícula nesse decaimento é emitido um neutrino.

p → n + e⁺ + ν: decaimento β⁺

No decaimento β^–, o elétron é acompanhado de um anti neutrino: uma partícula e uma anti-partícula. No decaimento β⁺, o pósitron, que é uma antipartícula é acompanhado de um neutrino, que é uma partícula. Antipartículas tem exatamente as mesmas características da partícula correspondente (por ex.: massa, spin, etc), apenas a sua carga é oposta. O elétron tem carga negativa, o pósitron tem carga positiva, as massas e os spins são idênticos. Curiosidade: A previsão da existência do neutrino havia sido considerada por Pauli e suportada por teóricos que acreditam nas regras conhecidas de conservação de energia e de momentum. Como se sabe, o espectro de energia das partículas beta é contínuo, com uma energia máxima bem caracterizada. Deveria haver então a concorrência de três partículas saindo do decaimento (se fossem apenas duas partículas não poderia ser satisfeita a conservação de energia e momentum). Como a conservação de carga já estava satisfeita, a terceira partícula deveria ser neutra. A dificuldade em ser detectada predizia que deveria ser uma partícula muito pequena, por isso foi denominada neutrino (pequeno e neutro em italiano). Fermi foi quem desvendou teoricamente o decaimento beta, com a complementação posterior de Lee e Yang. Dirac já havia predito teoricamente a existência de partículas e anti-partículas, mais especificamente havia predito a existência do pósitron. Anderson em 1932 pesquisando raios cósmicos obteve uma fotografia (ilustração 1), numa câmara de nuvens sujeito a um campo magnético, de uma trajetória exatamente com a curvatura correspondente a de um elétron, mas correspondente a uma carga positiva. Uma chapa de chumbo estava colocada no interior da câmara e o elétron atravessava essa chapa. Como não se conhecia a existência do pósitron, havia um grande problema a ser resolvido. A partícula positiva não poderia ser um próton, pois, já se sabia que a massa do próton é muitas ordens de grandeza maior que a do elétron e não poderia atravessar uma chapa de chumbo. Anderson, um aluno de Millikan, tomou conhecimento da teoria de Dirac e publicou um artigo curto com a nova descoberta, o que veio reforçar a teoria.

Ainda sobre o decaimento Beta : Os spins

• Ver O que é SPIN ?, questão 10

Este texto se refere ao decaimento beta de alguns nuclídeos como ³²P, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co. Estes nuclídeos são emissores beta e gama com exceção do fósforo 32,que é só emissor beta. Os demais Cs e Co decaem para estados excitados do núcleo filho e decaem logo em seguida por emissão gama ao estado fundamental do núcleo resultante. No decaimento beta sabe-se que um nêutron decai num próton + um elétron e mais um antineutrino. Mas antes de saber da existência do neutrino, se um núcleo A emite um elétron (que é o beta-) e se transforma num núcleo B, por conservação de energia, a energia do elétron deveria ser bem determinada, o que não é observado experimentalmente. O espectro de energia do emissor beta é um espectro contínuo, isto é, existem partículas com energia desde zero até uma energia máxima. Pode-se obter esse espectro usando detectores proporcionais, que são detectores a gás que funcionam não na região Geiger, mas na região proporcional. Um detector proporcional, é um detector a gás em baixa pressão, normalmente se usa o gás conhecido como P10 (pe dez), uma mistura de argônio e isobutano (em pressão baixa de alguns militor). A altura do pulso produzido pela ionização primária e posterior multiplicação é proporcional à energia da partícula ionizante e chega a ser de alguns milivolts (milivolt= 10^-3 V). Dessa forma são necessários equipamentos específicos para a amplificação e análise eletrônica dos pulsos (ver questão 17: Como funcionam detectores de partículas?). Assim, uma fonte beta emissora tem uma distribuição de altura de pulsos desde zero até uma energia máxima o que pela conservação de energia e de quantidade de movimento não pode ser explicado sem a presença de uma terceira partícula no decaimento. Outras quantidades que devem ser conservadas num decaimento β estão satisfeitas, pois a carga está conservada. Quanto ao spin, o momento angular total também tem que ser conservado. O nêutron tem spin ½, o próton e o elétron também tem spin ½, são todos férmions. Os spins são compostos, ou seja, são acoplados de uma forma muito especial, como se fossem vetores paralelos ou antiparalelos; dessa forma dois spins paralelos de ½ cada somam para dar spin 1 e dois spins antiparalelos de ½ cada dá spin zero. Assim sendo, se um nêutron decaisse para um próton +um elétron

½ → ½ + ½

seria possível obter spins 0 ou 1 e não o ½ do nêutron. Assim para que haja conservação do spin também deve haver outra partícula, o neutrino, que também tem spin ½ . Agora três partículas de spin ½ podem se acoplar para dar desde spin 3/2 até ½. Dessa forma a conservação está contemplada:

1/2+1/2+1/2=3/2 (spin $\uparrow$ + $\uparrow$ + spin $\uparrow$ = 3/2) 1/2-1/2+1/2=1/2 (spin $\uparrow$ + spin $\downarrow$ + spin $\uparrow$ = 1/2)