Última actualización 07 de mayo de 2023

¿Qué es la radiactividad β?

Imagen: Espectro de energía de la partícula beta. Autor Sprawls Educational Foundation.
La energía promedio de la partícula beta es menor que la energía máxima de descomposición, lo que parece contrario a la primera ley de la termodinámica. Para resolver esta paradoja, Wolfgang Pauli propuso, en 1930, que la energía "faltante" se la llevara otra partícula, aún no descubierta, a la que bautizó como neutrón, rebautizada como neutrino en 1933 por Enrico Fermi, y observada experimentalmente en 1956.

El enigma de la radiactividad β

La radiactividad beta es un tipo de radiactividad en la que un núcleo atómico inestable emite una partícula beta, que puede ser un electrón (β-) o un positrón (β+).

Cuando un núcleo es inestable, trata de estabilizarse deshaciéndose de parte de su exceso de energía. En el caso de la radiactividad beta, la desintegración se produce al transformar un neutrón o un protón en una partícula beta y en un neutrino o antineutrino.
Así, en la desintegración β, un neutrón se transforma en un protón y un electrón, por lo que el núcleo emite un electrón.
En la desintegración β+, un protón se transforma en un neutrón y un positrón, por lo que el núcleo emite un positrón.

Antes del descubrimiento del neutrino, los científicos habían observado situaciones en las que la conservación de la energía y el impulso parecían violarse en los procesos de desintegración radiactiva. Por ejemplo, en la desintegración beta, el núcleo inestable emite una partícula beta y un neutrino (o antineutrino). Pero en ese momento, los científicos no conocen el neutrino y descubren que la energía cinética de la partícula beta emitida no es igual a la energía total de la desintegración, lo que viola la ley de conservación de la energía.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.
¡En esta transformación, hubo una falta de energía!
Por lo tanto, era necesario renunciar a la conservación de la energía pero también a la invariancia de las leyes físicas por traslación del tiempo. Esta idea fue considerada pero habría tenido profundas implicaciones para la física.
¡Esto es lo que se ha llamado el rompecabezas de la radioactividad beta!
De hecho, esta invariancia del tiempo es un principio fundamental de la física que subyace en muchas teorías y descubrimientos en física, incluida la relatividad especial de Einstein y la mecánica cuántica. Ayuda a comprender la dinámica de sistemas físicos complejos y fenómenos como la conservación de la energía y el impulso.

Para resolver el enigma de la radiactividad β, un físico teórico austriaco, Wolfgang Pauli (1900-1958) planteó la idea de que la descomposición no produce dos partículas sino tres. En esta hipótesis se salvan las leyes de conservación de la energía.
"…, descubrí un remedio inesperado para salvar las leyes y estadísticas de conservación de energía. Se trata de la posibilidad de existencia en los núcleos de partículas neutras de espín, obedeciendo al principio de exclusión, pero diferentes de los fotones en que no se mueven a la velocidad de la luz, y que llamo neutrones". Wolfgang Pauli, Zúrich, carta fechada el 4 de diciembre de 1930 dirigida a una conferencia que tenía lugar en Tübingen adonde no podía ir.
Pauli sugirió que su partícula era muy ligera, sin carga eléctrica e interactuaba muy débilmente con la materia, lo que explicaría por qué era difícil de detectar.

En 1932, un físico británico, James Chadwick (1891-1974) descubrió una partícula subatómica real que tenía una masa similar a la del protón, pero que era neutra. Chadwick llamó a esta partícula el "neutrón", pero esta partícula es completamente diferente de la partícula hipotética propuesta por Pauli.

Enrico Fermi desarrolló la primera teoría detallada de la desintegración beta utilizando la hipótesis de Wolfgang Pauli de la existencia de una partícula adicional. Es él quien le da el nombre de neutrino "pequeño neutrón" a esta partícula. Fermi eligió este nombre para la partícula hipotética que propuso Pauli porque descubrió que esta partícula no tenía carga eléctrica y no interactuaba fácilmente con la materia, lo que dificultaba su detección. Por lo tanto, el nombre "neutrino" refleja estas propiedades de la partícula.

No fue hasta 1956 que Frederick Reines (1918-1998) y Clyde Cowan (1919-1974), dentro del laboratorio de Los Álamos en Estados Unidos, descubrieron experimentalmente la existencia de neutrinos, propuesta teóricamente varias décadas antes por Pauli y Fermi.