Atualização em 07 de maio de 2023

O que é radioatividade β?

Imagem: Espectro de energia da partícula beta. Autor Sprawls Educational Foundation.
A energia média da partícula beta é menor que a energia máxima de decaimento, o que parece contrário à primeira lei da termodinâmica. Para resolver esse paradoxo, Wolfgang Pauli propôs, em 1930, que a energia "falta" fosse carregada por outra partícula, ainda não descoberta, que batizou de nêutron, rebatizada de neutrino em 1933 por Enrico Fermi, e observada experimentalmente em 1956.

O quebra-cabeça da radioatividade β

A radioatividade beta é um tipo de radioatividade em que um núcleo atômico instável emite uma partícula beta, que pode ser um elétron (β-) ou um pósitron (β+).

Quando um núcleo é instável, ele tenta se estabilizar livrando-se de parte de seu excesso de energia. No caso da radioatividade beta, o decaimento ocorre pela transformação de um nêutron ou próton em uma partícula beta e em um neutrino ou antineutrino.
Assim, no decaimento β, um nêutron se transforma em um próton e um elétron, então o núcleo emite um elétron.
No decaimento β+, um próton se transforma em um nêutron e um pósitron, então o núcleo emite um pósitron.

Antes da descoberta do neutrino, os cientistas observaram situações em que a conservação da energia e do momento pareciam ser violados em processos de decaimento radioativo. Por exemplo, no decaimento beta, o núcleo instável emite uma partícula beta e um neutrino (ou antineutrino). Mas naquela época, os cientistas não conheciam o neutrino e descobriram que a energia cinética da partícula beta emitida não é igual à energia total do decaimento, que violou a lei da conservação da energia.
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra.
Nessa transformação faltou energia!
Era, portanto, necessário renunciar à conservação da energia, mas também à invariância das leis físicas pela tradução do tempo. Essa ideia foi considerada, mas teria profundas implicações para a física.
Isso é o que foi chamado de quebra-cabeça da radioatividade beta!
De fato, essa invariância do tempo é um princípio fundamental da física que fundamenta muitas teorias e descobertas da física, incluindo a relatividade restrita de Einstein e a mecânica quântica. Ajuda a entender a dinâmica de sistemas físicos complexos e fenômenos como conservação de energia e momento.

Para resolver o enigma da radioatividade β, um físico teórico austríaco, Wolfgang Pauli (1900-1958) apresentou a ideia de que o decaimento não produz duas partículas, mas três. Nesta hipótese, as leis de conservação de energia são salvas.
"…, descobri um remédio inesperado para salvar as leis e estatísticas de conservação de energia. Trata-se da possibilidade de existência nos núcleos de partículas neutras de spin, obedecendo ao princípio da exclusão, mas diferentes dos fótons por não se moverem na velocidade da luz, e que chamo de nêutrons.". Wolfgang Pauli, Zurique, carta datada de 4 de dezembro de 1930 dirigida a uma conferência em Tübingen, onde ele não poderia ir.
Pauli sugeriu que sua partícula era muito leve, desprovida de carga elétrica e interagia muito fracamente com a matéria, o que explicaria por que era difícil detectá-la.

Em 1932, um físico britânico, James Chadwick (1891-1974) descobriu uma partícula subatômica real que tinha uma massa semelhante à do próton, mas que era neutra. Chadwick chamou essa partícula de "nêutron", mas essa partícula é completamente diferente da partícula hipotética proposta por Pauli.

Enrico Fermi desenvolveu a primeira teoria detalhada do decaimento beta usando a hipótese de Wolfgang Pauli da existência de uma partícula extra. É ele quem dá o nome de neutrino "pequeno nêutron" a essa partícula. Fermi escolheu esse nome para a partícula hipotética proposta por Pauli porque descobriu que essa partícula não tinha carga elétrica e não interagia facilmente com a matéria, dificultando sua detecção. O nome "neutrino", portanto, reflete essas propriedades da partícula.

Foi somente em 1956 que Frederick Reines (1918-1998) e Clyde Cowan (1919-1974), dentro do laboratório de Los Alamos, nos Estados Unidos, descobriram experimentalmente a existência de neutrinos, que haviam sido propostos teoricamente várias décadas antes por Pauli e Fermi.