La desintegración alfa - Alpha decay


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Representación visual de la desintegración alfa

La desintegración alfa o α-decaimiento es un tipo de desintegración radiactiva en el que un núcleo atómico emite una partícula alfa (núcleo de helio) y de ese modo se transforma o 'decae' en un núcleo atómico diferente, con un número de masa que se reduce por cuatro y un atómica número que se reduce por dos. Una partícula alfa es idéntico al núcleo de un helio-4 átomo, que consiste en dos protones y dos neutrones . Tiene una carga de e y una masa de u . Por ejemplo, el uranio-238 se desintegra para formar el torio-234 . Las partículas alfa tienen una carga e , pero como una ecuación nuclear describe una reacción nuclear sin considerar los electrones - una convención que no implica que los núcleos necesariamente se producen en átomos neutros - no es por lo general muestran la carga.

La desintegración alfa se produce normalmente en los nucleidos más pesadas. Teóricamente, se puede producir solamente en los núcleos algo más pesados que el níquel (elemento 28), donde el total energía de enlace por nucleón ya no es un mínimo y los nucleidos son por lo tanto inestable hacia procesos de tipo fisión espontánea. En la práctica, este modo de desintegración sólo se ha observado en nucleidos considerablemente más pesados que el níquel, con los emisores alfa más ligero conocidos siendo los más ligeros isótopos (números de masa 106-110) de teluro (elemento 52). Excepcionalmente, sin embargo, berilio-8 decae a dos partículas alfa.

La desintegración alfa es de lejos la forma más común de deterioro del clúster , donde el padre átomo expulsa una definida hija colección de nucleones, dejando otro producto definido atrás. Es la forma más común debido a la extremadamente alta combinada energía de enlace y relativamente pequeña masa de la partícula alfa. Al igual que otros desintegraciones de racimo, la desintegración alfa es fundamentalmente un túnel cuántico proceso. A diferencia de desintegración beta , se rige por la interacción entre tanto la fuerza nuclear y la fuerza electromagnética .

Las partículas alfa tienen una energía cinética típica de 5 MeV (o ≈ 0,13% de su energía total, 110 TJ / kg) y tienen una velocidad de alrededor de 15.000.000 m / s, o 5% de la velocidad de la luz . No es sorprendentemente pequeña variación en torno a esta energía, debido a la fuerte dependencia de la vida media de este proceso en la energía producida (ver ecuaciones de la ley de Geiger-Nuttall ). Debido a su masa relativamente grande, la carga eléctrica de e y velocidad relativamente baja, las partículas alfa son muy propensos a interactuar con otros átomos y perder su energía, y su movimiento hacia adelante pueden ser detenidas por unos pocos centímetros de aire . Aproximadamente el 99% de la helio producido en la Tierra es el resultado de la desintegración alfa de depósitos subterráneos de minerales que contienen uranio o torio . El helio es llevado a la superficie como un subproducto de gas natural de producción.

Historia

Las partículas alfa fueron descritos por primera vez en las investigaciones de radiactividad por Ernest Rutherford en 1899, y en 1907 fueron identificados como Él 2+ iones.

En 1928, George Gamow había resuelto la teoría de la desintegración alfa a través de un túnel. La partícula alfa está atrapado en un pozo de potencial por el núcleo. Clásicamente, está prohibido para escapar, pero de acuerdo con los principios (entonces) recién descubiertos de la mecánica cuántica , que tiene un pequeño (pero no cero) probabilidad de " túnel " a través de la barrera y apareciendo en el otro lado para escapar del núcleo . Gamow resolvió un potencial modelo para el núcleo y deriva, a partir de primeros principios, una relación entre la vida media de la desintegración, y la energía de la emisión, que se había descubierto previamente empíricamente, y se conoce como la ley Geiger-Nuttall .

Mecanismo

La fuerza nuclear que sostiene un núcleo atómico es muy fuerte, en general, mucho más fuerte que las repulsivas fuerzas electromagnéticas entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear es también de corto alcance, cayendo rápidamente en la fuerza más allá de aproximadamente 1 femtometro , mientras que la fuerza electromagnética tiene alcance ilimitado. La intensidad de la fuerza nuclear atractiva manteniendo un núcleo unido es proporcional al número de nucleones, pero la fuerza electromagnética perturbadora total de intentar romper el núcleo aparte es aproximadamente proporcional al cuadrado de su número atómico. Un núcleo con 210 o más nucleones es tan grande que la fuerza nuclear fuerte que lo mantiene unido apenas puede contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones que contiene. La desintegración alfa se produce en tales núcleos como un medio de aumentar la estabilidad mediante la reducción de tamaño.

Una curiosidad es por qué las partículas alfa, los núcleos de helio, deben ser emitidos preferentemente en oposición a otras partículas como un solo protón o de neutrones o otros núcleos atómicos . Parte de la respuesta viene de conservación de la función de onda simetría , lo que impide una partícula de cambiar espontáneamente de exhibir la estadística de Bose-Einstein (si tuviera un número par de nucleones) a la estadística de Fermi-Dirac (si tuviera un número impar de nucleones) o viceversa. Emisión de protones sola, o la emisión de cualquier partícula con un número impar de nucleones violaría esta ley de conservación. El resto de la respuesta viene de la muy elevada energía de enlace de la partícula alfa. Cálculo de la energía total desintegración dada por la ecuación:

Donde es la masa inicial del núcleo, es la masa del núcleo después de la emisión de partículas, y es la masa de la partícula emitida, muestra que la emisión de partículas alfa por lo general será posible sólo a la energía desde el núcleo en sí, mientras que otros modos de desintegración se requerir energía adicional. Por ejemplo, realizar el cálculo de uranio-232 muestra que la emisión de partículas alfa sólo necesitaría 5,4 MeV, mientras que una sola emisión de protones requeriría 6.1 MeV. La mayor parte de esta energía se convierte en la desintegración de la energía cinética de la partícula alfa en sí, aunque para mantener la conservación del momento parte de esta energía se convierte en el retroceso del núcleo en sí. Sin embargo, ya que los números de masa de la mayoría de los radioisótopos emisores de alfa exceden 210, mucho mayor que el número de masa de la partícula alfa (4) la parte de la energía de ir a la retroceso del núcleo es generalmente bastante pequeña.

Estas energías de desintegración sin embargo, son sustancialmente más pequeña que la barrera de potencial proporcionado por la fuerza nuclear, que impide que la partícula alfa se escape. La energía necesaria está generalmente en el intervalo de aproximadamente 25 MeV, la cantidad de trabajo que se debe hacer frente a la repulsión electromagnética para llevar una partícula alfa desde el infinito hasta un punto cerca del núcleo justo fuera de la zona de influencia de la fuerza nuclear. Una partícula alfa puede ser pensado como estar dentro de una barrera de potencial cuyas paredes son de 25 MeV. Sin embargo, las partículas alfa de desintegración sólo tienen energías cinéticas de 4 MeV a alrededor de 9 MeV, mucho menos que la energía necesaria para escapar.

La mecánica cuántica, sin embargo, proporciona una explicación listo, a través del mecanismo de túnel cuántico. La teoría túnel cuántico de la desintegración alfa, desarrollada de forma independiente por George Gamow y Ronald Wilfred Gurney y Edward Condon en 1928, fue aclamado como una confirmación muy llamativo de la teoría cuántica. Esencialmente, la partícula alfa escapa del núcleo por efecto túnel cuántico su salida. Gurney y Condon hizo la siguiente observación en su papel en él:

Hasta ahora ha sido necesario postular algunos 'inestabilidad' arbitraria especial del núcleo; pero en la siguiente nota se señala que la desintegración es una consecuencia natural de las leyes de la mecánica cuántica, sin ninguna hipótesis especial ... Se ha escrito mucho de la violencia explosiva con la que el α-partícula se lanzó desde su lugar en el núcleo . Pero a partir del proceso de la foto de arriba, más bien diría que la α-partículas casi se escapa inadvertido.

La teoría supone que la partícula alfa se puede considerar una partícula independiente dentro de un núcleo que está en constante movimiento, pero se mantuvo dentro del núcleo de las fuerzas nucleares. En cada colisión con la barrera de potencial de la fuerza nuclear, hay una pequeña probabilidad no cero de que así será túnel su salida. Una partícula alfa con una velocidad de 1,5 × 10 7  m / s dentro de un diámetro nuclear de aproximadamente 10 -14  m chocará con la barrera más de 10 21 veces por segundo. Sin embargo, si la probabilidad de fuga en cada colisión es muy pequeña, la vida media del radioisótopo será muy largo, ya que es el tiempo requerido para que la probabilidad total de escape para alcanzar el 50%. Como un ejemplo extremo, la vida media del isótopo de bismuto-209 es de 1,9 x 10 19 años.

Los isótopos en la desintegración beta isobaras estables que también son estables con respecto a la doble desintegración beta con número de masa A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, y A ≥ 165 se teorizan que someterse a alfa decaimiento ( "5" decaimiento de helio-4 y un protón o un neutrón , y la decadencia "8" a dos helio-4, la vida media de ellos ( helio-5 , litio-5 , y berilio-8 ) son muy corto, a diferencia de la vida media para todos los otros dichos nucleidos con a ≤ 209, que son muy largo. todas las demás tales nucleidos con a ≤ 209 son núclidos primordiales excepto a = 146). Sin embargo, sólo los nucleidos con A se ha observado = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, y ≥ 209 (la desintegración también se ha buscado para tales nucleidos con A = 145, 149, 182, 183 , 184, 192, 204, y 208). Todos los demás números de masa ( isobaras ) tiene exactamente una teóricamente núclido estable , excepto posible fisión espontánea para A ≥ 93, que nunca se ha observado, y posible desintegración de protones , que nunca ha sido también observado)

La elaboración de los detalles de la teoría conduce a una ecuación que relacione la vida media de un radioisótopo a la energía de desintegración de sus partículas alfa, una derivación teórica del empírica ley Geiger-Nuttall .

Usos

Americio-241 , un emisor alfa , se utiliza en los detectores de humo . Las partículas alfa ionizan el aire en un abierto cámara de iones y una pequeña corriente fluye a través del aire ionizado. Las partículas de humo de fuego que entran en la cámara de reducir la corriente, lo que provocó la alarma del detector de humo.

La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía seguro para generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados para las sondas espaciales y se utilizaron para los marcapasos artificiales . La desintegración alfa está blindado mucho más fácilmente contra que otras formas de desintegración radiactiva.

Eliminadores estáticos suelen utilizar polonio 210 , un emisor alfa, para ionizar el aire, permitiendo que el 'estática' para disipar más rápidamente.

Toxicidad

Altamente cargado y pesado, partículas alfa pierden sus varios MeV de energía dentro de un pequeño volumen de material, a lo largo de un tiempo muy corto recorrido libre medio . Esto aumenta la probabilidad de roturas de la doble hebra en el ADN en los casos de contaminación interna, cuando se ingiere, inhala, inyecta o se introduce a través de la piel. De lo contrario, tocando una fuente alfa es típicamente no es perjudicial, como partículas alfa están protegidos eficazmente por unos pocos centímetros de aire, un trozo de papel, o la capa delgada de células muertas de la piel que componen las epidermis ; sin embargo, muchas fuentes de alfa también se acompañan de emisores beta hijas de radio, y ambos a menudo se acompañan de emisión gamma fotón.

RBE eficacia biológica relativa cuantifica la capacidad de la radiación para causar ciertos efectos biológicos, en particular, ya sea cáncer o muerte celular , por exposición a la radiación equivalente. La radiación alfa tiene una alta transferencia lineal de energía coeficiente (LET), que es aproximadamente una ionización de una molécula / átomo para cada angstrom de viajes por la partícula alfa. La RBE se ha fijado en el valor de 20 para la radiación alfa por diversas regulaciones gubernamentales. El RBE se fija en 10 para neutrones de irradiación, y en 1 para la radiación beta y fotones ionizantes.

Sin embargo, el retroceso del núcleo padre (retroceso alfa) le da una cantidad significativa de energía, que también causa daños ionización (ver la radiación ionizante ). Esta energía es aproximadamente el peso de la alfa (4  u ) dividido por el peso de la matriz (normalmente alrededor de 200 u) veces la energía total de la alfa. Según algunas estimaciones, esto podría explicar la mayor parte del daño de la radiación interna, como el núcleo de retroceso es parte de un átomo que es mucho mayor que una partícula alfa, y causa una muy densa estela de ionización; el átomo es típicamente un metal pesado , que recogen preferentemente sobre los cromosomas . En algunos estudios, esto se ha traducido en una RBE se acerca 1000 en lugar del valor utilizado en las regulaciones gubernamentales.

El colaborador natural más grande de la dosis de radiación pública es el radón , un origen natural, gas radiactivo que se encuentra en suelo y roca. Si se inhala el gas, algunas de las partículas de radón conlleve el revestimiento interior del pulmón. Estas partículas siguen a decaer, emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células en el tejido pulmonar. La muerte de Marie Curie a los 66 años a partir de la anemia aplásica , probablemente fue causado por la exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante, pero no está claro si esto se debió a la radiación alfa o radiografías. Curie trabajó extensivamente con el radio, que se desintegra en el radón, junto con otros materiales radiactivos que emiten beta y rayos gamma . Sin embargo, Curie también trabajó con tubos de rayos X no blindados durante la Primera Guerra Mundial, y el análisis de su esqueleto durante un entierro mostró un nivel relativamente bajo de carga de radioisótopos.

El disidente ruso Alexander Litvinenko 's 2006 de asesinato por envenenamiento por radiación se cree que se han llevado a cabo con polonio 210 , un emisor alfa.

referencias

notas

enlaces externos