Desintegración alfa
| Desintegración alfa | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| |||||||||
| Wikidata C:Commons | |||||||||
A desintegración alfa ou desintegración α é un tipo de desintegración radioactiva na que un núcleo atómico emite unha partícula alfa (núcleo de helio). O núcleo pai transfórmase ou «desintégrase» nun produto fillo, cun número másico reducido en catro unidades e un número atómico reducido en dúas. Unha partícula alfa é idéntica ao núcleo dun átomo de helio-4, que consta de dous protóns e dous neutróns. Por exemplo, o uranio-238 sofre unha desintegración alfa para formar torio-234.
Aínda que as partículas alfa teñen unha carga eléctrica de +2+0−0 e, isto normalmente non se indica porque unha ecuación nuclear describe unha reacción nuclear sen considerar os electróns, unha convención que non implica que os núcleos existan necesariamente en átomos neutros.
A desintegración alfa ocorre tipicamente nos nuclidos máis pesados. Teoricamente, só pode producirse en núcleos algo máis pesados ca o níquel (elemento 28), onde a enerxía de ligazón global por nucleón deixa de ser máxima e os núclidos son, por tanto, inestables fronte a procesos espontáneos de tipo fisión. Na práctica, este modo de desintegración só se observou en núclidos considerablemente máis pesados ca o níquel, sendo o emisor alfa máis lixeiro coñecido o segundo isótopo máis lixeiro do antimonio, 104Sb.[1] Porén, de maneira excepcional, o berilio-8 desintégrase en dúas partículas alfa.
A desintegración alfa é, con moita diferenza, a forma máis común de desintegración en clúster, na que o átomo pai expulsa unha colección definida de nucleóns que constitúen o produto fillo, deixando outro produto definido. É a forma máis común debido á combinación dunha enerxía de ligazón nuclear extremadamente elevada e dunha masa relativamente pequena da partícula alfa. Como outras desintegracións en clúster, a desintegración alfa é fundamentalmente un proceso de tunelamento cuántico. A diferenza da desintegración beta, está gobernada pola interacción entre a forza nuclear forte e a forza electromagnética.
As partículas alfa teñen unha enerxía cinética típica de 5 MeV (ou ≈ 0,13 % da súa enerxía total, 110 TJ/kg) e unha velocidade duns 15.000.000 m/s, ou o 5 % da velocidade da luz. Existe unha variación sorprendentemente pequena arredor desta enerxía debido á forte dependencia da semivida deste proceso coa enerxía producida. Debido á súa masa relativamente grande, á súa carga eléctrica de +2+0−0 e, e á súa velocidade relativamente baixa, as partículas alfa teñen unha alta probabilidade de interactuar con outros átomos e perder a súa enerxía, podendo o seu movemento ser detido por uns poucos centímetros de aire.
Aproximadamente o 99 % do helio producido na Terra é resultado da desintegración alfa de depósitos subterráneos de minerais que conteñen uranio ou torio. O helio chega á superficie como subproduto da produción de gas natural.
Historia
[editar | editar a fonte]- Véxase tamén: Partícula alfa#Historia do descubrimento e uso.
As partículas alfa foron descritas por primeira vez nas investigacións sobre radioactividade realizadas por Ernest Rutherford en 1899 e, cara a 1907, identificáronse como ións He2+.
En 1928, George Gamow resolveu a teoría da desintegración alfa mediante o tunelamento. A partícula alfa está atrapada dentro do núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo e unha barreira de potencial electromagnética repulsiva. Clasicamente, non pode escapar, mais segundo os principios daquela recentemente descubertos da mecánica cuántica, existe unha probabilidade moi pequena (pero distinta de cero) de que poida atravesar por efecto túnel a barreira de potencial e aparecer ao outro lado, escapando así do núcleo. Gamow resolveu un modelo de potencial para o núcleo e deduciu, a partir de primeiros principios, unha relación entre a semivida da desintegración e a enerxía da emisión, que xa fora descuberta empiricamente e era coñecida como a lei de Geiger-Nuttall.[2]
Mecanismo
[editar | editar a fonte]A forza nuclear que mantén unido un núcleo atómico é moi intensa, en xeral moito máis forte cás forzas electromagnéticas repulsivas entre os protóns. Porén, a forza nuclear tamén é de curto alcance e a súa intensidade diminúe rapidamente máis aló de aproximadamente 3 femtómetros, mentres que a forza electromagnética ten alcance ilimitado. Así, a intensidade da forza nuclear atractiva que mantén unido o núcleo é proporcional ao número de nucleóns, mentres que a forza electromagnética total de repulsión protón-protón que tende a separalo é aproximadamente proporcional ao cadrado do seu número atómico. Un núcleo con 210 ou máis nucleóns é tan grande que a forza nuclear forte apenas consegue compensar a repulsión electromagnética entre os protóns que contén. A desintegración alfa prodúcese nestes núcleos como un medio de aumentar a estabilidade reducindo o seu tamaño.[3]
Un aspecto curioso é por que razón se emiten preferentemente partículas alfa, é dicir, núcleos de helio, en lugar doutras partículas como un único protón, un neutrón ou outros núcleos atómicos.[note 1] Parte da razón é a elevada enerxía de ligazón da partícula alfa, o que significa que a súa masa é inferior á suma das masas de dous protóns libres e dous neutróns libres. Isto incrementa a enerxía de desintegración. Calculando a enerxía total de desintegración dada pola ecuación de equivalencia masa-enerxía
onde mi é a masa inicial do núcleo, mf é a masa do núcleo despois da emisión da partícula e mp é a masa da partícula emitida (a partícula alfa), compróbase que nalgúns casos é positiva e, polo tanto, a emisión dunha partícula alfa é posible, mentres que outros modos de desintegración requirirían achegar enerxía. Por exemplo, ao realizar o cálculo para o uranio-232 obsérvase que a emisión dunha partícula alfa libera 5,4 MeV de enerxía, mentres que a emisión dun único protón requiriría 6,1 MeV. A maior parte da enerxía de desintegración convértese na enerxía cinética da partícula alfa, aínda que para cumprir a conservación do momento parte da enerxía transfírese ao retroceso do propio núcleo (véxase retroceso atómico). Porén, dado que os números másicos da maioría dos radioisótopos emisores alfa superan 210, moi por riba do número másico da partícula alfa (4), a fracción da enerxía destinada ao retroceso do núcleo adoita ser moi pequena, inferior ao 2 %.[3]
Con todo, a enerxía de retroceso (da orde dos keV) segue sendo moito maior ca a intensidade das ligazóns químicas (da orde dos eV), polo que o núclido fillo separarase do ambiente químico no que se atopaba o núcleo pai. As enerxías e proporcións das partículas alfa poden utilizarse para identificar o radionúclido pai mediante espectrometría alfa.
Estas enerxías de desintegración, porén, son substancialmente menores ca a barreira de potencial repulsiva creada pola interacción entre a forza nuclear forte e a forza electromagnética, que impide que a partícula alfa escape. A enerxía necesaria para levar unha partícula alfa desde o infinito ata un punto próximo ao núcleo, xusto fóra da rexión de influencia da forza nuclear, adoita situarse arredor dos 25 MeV. Pode considerarse que unha partícula alfa dentro do núcleo está confinada nunha barreira de potencial cuxas paredes se atopan 25 MeV por enriba do potencial no infinito. Non obstante, as partículas alfa emitidas na desintegración só posúen enerxías comprendidas aproximadamente entre 4 e 9 MeV por enriba do potencial no infinito, moi inferiores á enerxía necesaria para superar a barreira e escapar.
Tunelamento cuántico
[editar | editar a fonte]Porén, a mecánica cuántica permite que a partícula alfa escape mediante tunelamento cuántico. A teoría do tunelamento cuántico aplicada á desintegración alfa, desenvolvida independentemente por George Gamow[4] e por Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon en 1928,[5] foi considerada unha das confirmacións máis impresionantes da teoría cuántica. Esencialmente, a partícula alfa escapa do núcleo non porque adquira enerxía suficiente para superar a parede que a confina, senón porque atravesa esa parede por efecto túnel. Gurney e Condon escribiron no seu artigo:
Ata agora foi necesario postular algunha «inestabilidade» especial e arbitraria do núcleo, pero na seguinte nota sinálase que a desintegración é unha consecuencia natural das leis da mecánica cuántica sen necesidade de ningunha hipótese especial... Escribiuse moito sobre a violencia explosiva coa que a partícula α é expulsada do seu lugar no núcleo. Pero, a partir do proceso descrito anteriormente, máis ben podería dicirse que a partícula α escapa case sen ser advertida.[5]
A teoría supón que a partícula alfa pode considerarse unha partícula independente dentro do núcleo, en movemento constante pero retida pola interacción forte. En cada colisión coa barreira de potencial repulsiva creada pola forza electromagnética existe unha pequena probabilidade distinta de cero de que atravesa a barreira por efecto túnel. Unha partícula alfa cunha velocidade de 1,5×107 m/s dentro dun núcleo cun diámetro aproximado de 10−14 m colidirá coa barreira máis de 1021 veces por segundo. Con todo, se a probabilidade de escape en cada colisión é extremadamente pequena, a semivida do radioisótopo será moi longa, xa que corresponde ao tempo necesario para que a probabilidade acumulada de escape alcance o 50 %. Como exemplo extremo, a semivida do isótopo bismuto-209 é de 2,01×1019+0−0 años.
Os isótopos pertencentes a isóbaras estables fronte á desintegración beta que tamén son estables respecto da dobre desintegración beta con número másico A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 e A ≥ 165 están teoricamente destinados a sufrir desintegración alfa. Todos os demais números másicos (isóbaras) posúen exactamente un núclido estable teórico. Os de masa 5 desintégranse en helio-4 e un protón ou un neutrón, e os de masa 8 en dous núcleos de helio-4; as súas semividas (helio-5, litio-5 e berilio-8) son moi curtas, a diferenza das semividas de todos os demais núclidos deste tipo con A ≤ 209, que son moi longas. (Estes núclidos con A ≤ 209 son núclidos primordiais, excepto o 146Sm).[6]
O desenvolvemento detallado da teoría conduce a unha ecuación que relaciona a semivida dun radioisótopo coa enerxía de desintegración das súas partículas alfa, constituíndo unha derivación teórica da lei de Geiger-Nuttall empírica.
Usos
[editar | editar a fonte]Os emisores alfa empréganse en detectores de fume. As partículas alfa ionizan o aire nunha cámara de ionización aberta e unha pequena corrente eléctrica circula a través do aire ionizado. As partículas de fume procedentes dun incendio que penetran na cámara reducen a corrente e activan a alarma do detector.[7]
O radio-223 tamén é un emisor alfa. O seu uso foi probado con resultados satisfactorios no tratamento de metástases óseas derivadas do cancro de próstata metastático resistente á castración.[8]
A desintegración alfa pode proporcionar unha fonte segura de enerxía para os xeradores termoeléctricos de radioisótopos utilizados en sondas espaciais[9] e tamén foi utilizada en marcapasos cardíacos artificiais.[10]
A desintegración alfa é moito máis fácil de blindar ca outras formas de desintegración radioactiva.[11]
Os eliminadores de electricidade estática adoitan utilizar polonio-210, un emisor alfa, para ionizar o aire e permitir que a carga electrostática se disipe máis rapidamente.[12]
Toxicidade
[editar | editar a fonte]Debido á súa elevada carga e gran masa, as partículas alfa perden os seus varios MeV de enerxía nun volume moi pequeno de material, ademais de posuíren un percorrido libre medio moi curto. Isto incrementa a probabilidade de producir roturas de dobre cadea no ADN nos casos de contaminación interna, cando son inxeridas, inhaladas, inxectadas ou introducidas a través da pel. Polo demais, tocar unha fonte emisora alfa non adoita ser perigoso, xa que as partículas alfa son detidas eficazmente por uns poucos centímetros de aire, unha folla de papel ou a fina capa de células mortas da pel que constitúe a epiderme. Porén, a cadea de desintegración de moitos isótopos emisores alfa, como o radio-226, contén núcleos fillos que sofren desintegración beta e/ou desintegración gamma.[13]
A eficacia biolóxica relativa (RBE, do inglés Relative Biological Effectiveness) cuantifica a capacidade dunha radiación para causar determinados efectos biolóxicos, especialmente cancro ou morte celular, para unha mesma exposición á radiación. A radiación alfa presenta un elevado coeficiente de transferencia lineal de enerxía (LET), aproximadamente unha ionización dunha molécula ou átomo por cada ångström percorrido pola partícula alfa. Diversas normativas gobernamentais establecen un valor de RBE igual a 20 para a radiación alfa. O valor de RBE establécese en 10 para a irradiación con neutróns e en 1 para a radiación beta e os fotóns ionizantes.
Porén, o retroceso do núcleo pai (retroceso alfa) proporciónalle unha cantidade significativa de enerxía, o que tamén produce danos por ionización (véxase radiación ionizante). Esta enerxía equivale aproximadamente á masa da partícula alfa (4+0−0 Da) dividida pola masa do núcleo pai (normalmente arredor de 200 Da) multiplicada pola enerxía total da partícula alfa. Segundo algunhas estimacións, isto podería representar a maior parte do dano interno causado pola radiación, xa que o núcleo de retroceso forma parte dun átomo moito máis grande ca unha partícula alfa e produce unha traza de ionización extremadamente densa; o átomo adoita ser un metal pesado, que tende a acumularse nos cromosomas. Nalgúns estudos,[14] isto deu lugar a valores de RBE próximos a 1.000, en lugar do valor empregado nas regulacións gobernamentais.
A maior contribución natural á dose de radiación recibida pola poboación provén do radon, un gas radioactivo natural presente no solo e nas rochas.[15] Se o gas é inhalado, algunhas partículas de radon poden adherirse ao revestimento interno dos pulmóns. Estas partículas continúan desintegrándose e emitindo partículas alfa, que poden danar as células do tecido pulmonar.[16]
A morte de Marie Curie, aos 66 anos, por anemia aplásica, probablemente foi causada pola exposición prolongada a altas doses de radiación ionizante, aínda que non está claro se se debeu á radiación alfa ou aos raios X. Curie traballou extensamente co radio, que se desintegra producindo radon,[17] xunto con outros materiais radioactivos emisores de radiación beta e raios gamma. Porén, Curie tamén traballou con tubos de raios X sen blindaxe durante a Primeira Guerra Mundial, e a análise do seu esqueleto durante a súa exhumación mostrou unha carga relativamente baixa de radioisótopos.
Considérase que o asasinato por envelenamento por radiación do desertor ruso Alexander Litvinenko en 2006 foi levado a cabo mediante polonio-210, un emisor alfa.
Notas
[editar | editar a fonte]- ↑ Estes outros modos de desintegración, aínda que posibles, son extremadamente raros en comparación coa desintegración alfa.
- Referencias
- ↑ F.G. Kondev et al 2021 Chinese Phys. C 45 030001
- ↑ "Gamow theory of alpha decay". 6 de novembro de 1996. Arquivado dende o orixinal o 24 de febreiro de 2009.
- 1 2 Arthur Beiser (2003). "Chapter 12: Nuclear Transformations". Concepts of Modern Physics (PDF) (6th ed.). McGraw-Hill. pp. 432–434. ISBN 0-07-244848-2. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 2016-10-04. Consultado o 2016-07-03.
- ↑ G. Gamow (1928). "Zur Quantentheorie des Atomkernes (On the quantum theory of the atomic nucleus)". Zeitschrift für Physik 51 (3): 204–212. Bibcode:1928ZPhy...51..204G. doi:10.1007/BF01343196.
- 1 2 Ronald W. Gurney & Edw. U. Condon (1928). "Wave Mechanics and Radioactive Disintegration". Nature 122 (3073): 439. Bibcode:1928Natur.122..439G. doi:10.1038/122439a0.
- ↑ Belli, P.; Bernabei, R.; Danevich, F. A.; et al. (2019). "Experimental searches for rare alpha and beta decays". European Physical Journal A 55 (8): 140–1–140–7. Bibcode:2019EPJA...55..140B. ISSN 1434-601X. arXiv:1908.11458. doi:10.1140/epja/i2019-12823-2.
- ↑ "Ionization vs photoelectric". www.nfpa.org (en inglés). Consultado o 2025-08-06.
- ↑ Gupta, Nishant; Devgan, Arushi; Bansal, Itisha; Olsavsky, Thomas D.; Li, Shuo; Abdelbaki, Ahmed; Kumar, Yogesh (October 2017). "Usefulness of radium-223 in patients with bone metastases". Proceedings (Baylor University. Medical Center) 30 (4): 424–426. ISSN 0899-8280. PMC 5595381. PMID 28966451. doi:10.1080/08998280.2017.11930213.
- ↑ "Radioisotope Thermoelectric Generator". Solar System Exploration. NASA. Arquivado dende o orixinal o 7 August 2012. Consultado o 25 March 2013.
- ↑ "Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers". Off-Site Source Recovery Project. LANL. Arquivado dende o orixinal o 18 de marzo de 2021. Consultado o 25 March 2013.
- ↑ "Types of radiation – Nuclear radiation – National 5 Physics Revision – BBC Bitesize". BBC Bitesize. Consultado o 14 August 2025.
- ↑ "Static Eliminators (1960s and 1980s)". Museum of Radiation and Radioactivity (en inglés). Oak Ridge Associated Universities. Consultado o 26 October 2025.
- ↑ "Radium-226 Decay Chain". NIST (en inglés). Consultado o 26 October 2025.
- ↑ Winters TH, Franza JR (1982). "Radioactivity in Cigarette Smoke". New England Journal of Medicine 306 (6): 364–365. PMID 7054712. doi:10.1056/NEJM198202113060613.
- ↑ "ANS: Public Information: Resources: Radiation Dose Chart". Arquivado dende o orixinal o 2018-07-15. Consultado o 2007-10-31.
- ↑ EPA Radiation Information: Radon. October 6, 2006, Arquivado 2006-04-26 en Wayback Machine., Accessed December 6, 2006.
- ↑ Health Physics Society, "Did Marie Curie die of a radiation overexposure?" Arquivado 2007-10-19 en Wayback Machine.
Véxase tamén
[editar | editar a fonte]Outros artigos
[editar | editar a fonte]Ligazóns externas
[editar | editar a fonte]- Live Chart of Nuclides
- Desintegración alfa con 3 exemplos animados Arquivado 29 de decembro de 2020 en Wayback Machine. que mostran o retroceso do núcleo fillo.
- Emisores alfa por enerxía crecente (Apéndice 1)
