Il bombardamento del berillio (Be) con particelle α (He) effettuato dai coniugi Joliot trasforma il berillio in carbonio (C) ed espelle una particella neutra.
Osserva come nella reazione nuleare sia conservato il numero di massa (scritto in apice) e il numero atomico (scritto in pedice):
Tale particella è, stata osservata nel suo decadimento all'interno di una camera a nebbia in cui decade e si riorganizza come un protone più un elettrone.
Analizzando tale decadimento si ha l'impressione che manchi qualche cosa.
Considerando il processo si ha l'impressione che manchi una particella.
Il problema è abbastanza complesso e si cercherà di trattarlo in maniera qualitativa.
Il decadimento che si osserva è quello del neutrone, che apparentemente decade in un protone ed in un elettrone:
n ⇒ p + e-
In questo caso, lo spettro dell'elettrone uscente dovrebbe essere una riga, poiché
mec2 (0,5 MeV) << mpc2 (938,3 MeV)
circa mnc2 (939,6 MeV)
Supponendo che il neutrone sia fermo, si può ragionevolmente ritenere che anche il protone creato sia immobile, quindi l'unica particella a muoversi è l'elettrone.
Quindi, per la conservazione dell'energia si ha:
mnc2 = Ep + Ee
con
- Ep = √ {mp2 c4 + pp2 c2}
- Ee = √ {me2 c4 + pe2 c2}
dove l'unica incognita è l'impulso dell'elettrone e quindi lo spettro risulta una riga (in pratica si sarebbe dovuto osservare un picco).
Sperimentalmente, però, si osserva qualcosa di diverso: uno spettro completo che parte da 0 per salire, raggiungere un massimo e quindi ritornare ad annullarsi in corrispondenza di un valore massimo che è circa 5 volte e mezza la massa dell'elettrone.
Questo risultato portò enorme scompiglio nella comunità scientifica, e il primo a trovare una motivazione fu Bohr, che suggerì la presenza di una violazione nella conservazione dell'energia. In realtà sia Fermi, sia Pauli supponevano che il decadimento non fosse a due corpi, come osservato, ma a tre: ovvero i prodotti della reazione ci fosse una terza particella, piccolissima, di carica neutra e non rilevabile con le strumentazioni usuali: il neutrino.
La reazione, allora, deve essere corretta nel modo seguente:
n → p + e- + ν
mentre la conservazione dell'energia diventa: mn c2 ≅ mp c2 + √ {me2 c4 + pe2 c2} + pν c
dove si trascura la massa del neutrino.
Appare evidente come, in questo caso, le variabili siano due e viene pertanto ovviamente spiegato lo spettro osservato come di un processo a tre e non a due corpi. Tra l'altro, ponendo nullo l'impulso del neutrino, si riesce a calcolare l'impulso massimo dell'elettrone che risulta coerente con il valore sperimentalmente trovato. Il decadimento β è esotermico: avviene, cioè, spontaneamente, senza necessità di energia esterna per attivarsi.
La vita media del neutrone è tm=887 s,
e, ovviamente, si riferisce al neutrone libero: esso, infatti, all'interno del nucleo atomico, è assolutamente stabile.