Decaimento beta
O decaimento beta é aquele processo nuclear em que um nêutron se transforma em um próton ou o contrário. Ele é o ponto de partida de toda a física de neutrinos: nele se notou que parecia faltar energia, e dessa lacuna surgiu a conjetura de que existia o neutrino.
As três formas
Decaimento beta menos. Um nêutron torna-se um próton, um elétron e um antineutrino. O núcleo avança um lugar para cima na tabela periódica. Este é o caso mais frequente e aquele a que habitualmente se refere.
Decaimento beta mais. Um próton torna-se um nêutron, um pósitron e um neutrino. O núcleo avança um lugar para baixo. Em estado livre isso nunca ocorre — um próton isolado é estável —, mas sim dentro do núcleo, quando a energia de ligação o favorece.
Captura eletrônica. O núcleo atrai para si um elétron da camada mais interna e transforma com isso um próton em um nêutron. Aqui surge apenas um neutrino e nenhuma outra partícula carregada. Justamente esse processo utilizou Maurice Goldhaber em 1958 para a medição da helicidade.
O que está por trás
No plano dos quarks o processo é simples. Um nêutron consiste em dois quarks down e um quark up, um próton o contrário. No decaimento, um quark down transforma-se em um quark up e emite ao fazê-lo um bóson W, que decai imediatamente em elétron e antineutrino.
Como o bóson W é cerca de oitenta vezes mais pesado que um próton, ele mal chega longe — e por isso a interação fraca é tão lenta. Um nêutron livre vive em média cerca de 880 segundos, ou seja, pouco menos de um quarto de hora. Para processos nucleares isso é uma eternidade.
O enigma do espectro contínuo
Em 1914 James Chadwick constatou que os elétrons provenientes do decaimento beta têm energias completamente diferentes. Em qualquer outro processo nuclear a energia é nítida: o núcleo salta de um estado para outro, e a diferença aparece por inteiro.
Aqui era um espectro largo, de quase zero até um valor máximo. Onde ficava o resto?
Durante quinze anos foi controverso se se tratava de um erro de medição. Em 1930 Lise Meitner e Wilhelm Orthmann decidiram a questão com um calorímetro: mediram não elétrons isolados, mas todo o calor liberado. Se o espectro fosse um artefato, a quantidade de calor teria de corresponder ao valor máximo. Ela correspondeu ao valor médio.
A energia desaparecia, portanto, de fato.
As duas saídas
Niels Bohr considerou seriamente abandonar o princípio de conservação da energia no âmbito microscópico.
Wolfgang Pauli considerou esse o preço mais alto e propôs em dezembro de 1930 o outro caminho: uma partícula invisível que levasse embora a energia que faltava.
Enrico Fermi fez disso em 1934 uma teoria que não apenas salvava o balanço, mas previa a forma do espectro — e a forma medida coincidiu. Com isso a solução de emergência de Pauli tornou-se física comprovada.
Por que a forma do espectro conta ainda hoje
Na extremidade superior do espectro, onde o elétron recebe quase toda a energia, quase nada resta para o neutrino. Se este tem uma massa, então ao menos a energia necessária para ela precisa ser fornecida — e o espectro termina um pedacinho antes.
Exatamente isso mede o KATRIN em trítio. É o único acesso à massa do neutrino que dispensa hipóteses de modelo.
O caso duplo
Em alguns núcleos o decaimento beta simples é energeticamente proibido, mas o duplo é permitido. Então dois nêutrons se transformam simultaneamente. As meias-vidas situam-se em 10¹⁸ anos e mais — e ainda assim esse decaimento foi medido.
Procura-se a variante sem neutrinos. Ela só seria possível se o neutrino fosse sua própria antipartícula, e responderia assim a uma das mais antigas questões abertas. Mais detalhes na página Duplo decaimento beta.
Onde mais o processo é encontrado
O decaimento beta não é assunto de laboratório. Ele gera os neutrinos de reator, a partir dos quais em 1956 se logrou a primeira detecção de um neutrino. Ele fornece os geoneutrinos, com os quais se pode determinar o balanço térmico da Terra. Ele está no início da fusão nuclear no Sol. E é a base da datação por radiocarbono.
Termos relacionados
- Wolfgang Pauli — a proposta de 1930
- Lise Meitner — a medição decisiva
- Enrico Fermi — a teoria
- KATRIN — a aplicação atual
Fontes
- E. Fermi: Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
- L. Meitner, W. Orthmann: Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).