Decaimiento alfa

Representación visual de la desintegración alfa

desintegración alfa o desintegración alfa es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa (núcleo de helio) y, por lo tanto, transforma o ' decae' en un núcleo atómico diferente, con un número de masa que se reduce en cuatro y un número atómico que se reduce en dos. Una partícula alfa es idéntica al núcleo de un átomo de helio-4, que consta de dos protones y dos neutrones. Tiene una carga de +2 e y una masa de 4 u. Por ejemplo, el uranio-238 se descompone para formar torio-234.

Si bien las partículas alfa tienen una carga +2 e, esta no suele mostrarse porque una ecuación nuclear describe una reacción nuclear sin tener en cuenta los electrones, una convención que no implica que los núcleos se produzcan necesariamente en átomos neutros.

La descomposición alfa generalmente ocurre en los nucleidos más pesados. Teóricamente, solo puede ocurrir en núcleos algo más pesados que el níquel (elemento 28), donde la energía de unión total por nucleón ya no es máxima y, por lo tanto, los nucleidos son inestables frente a procesos de fisión espontánea. En la práctica, este modo de descomposición solo se ha observado en nucleidos considerablemente más pesados que el níquel, siendo los emisores alfa más ligeros conocidos los isótopos más ligeros (números de masa 104-109) de telurio (elemento 52). Sin embargo, excepcionalmente, el berilio-8 se descompone en dos partículas alfa.

La desintegración alfa es, con mucho, la forma más común de desintegración de cúmulos, en la que el átomo principal expulsa una colección hija definida de nucleones, dejando atrás otro producto definido. Es la forma más común debido a la combinación de una energía de enlace nuclear extremadamente alta y una masa relativamente pequeña de la partícula alfa. Al igual que otras desintegraciones de cúmulos, la desintegración alfa es fundamentalmente un proceso de tunelización cuántica. A diferencia de la desintegración beta, se rige por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte 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 aproximadamente 15 000 000 m/s, o el 5 % de la velocidad de la luz. Hay una variación sorprendentemente pequeña en torno a esta energía, debido a la fuerte dependencia de la vida media de este proceso de la energía producida. Debido a su masa relativamente grande, la carga eléctrica de +2 e y una velocidad relativamente baja, es muy probable que las partículas alfa interactúen con otros átomos y pierdan su energía, y su movimiento hacia adelante puede ser detenido por unos pocos centímetros de aire.

Aproximadamente el 99 % del helio producido en la Tierra es el resultado de la descomposición alfa de depósitos subterráneos de minerales que contienen uranio o torio. El helio se lleva a la superficie como subproducto de la producción de gas natural.

Historia

Las partículas alfa se describieron por primera vez en las investigaciones de radiactividad de Ernest Rutherford en 1899, y en 1907 se identificaron como iones He²⁺. En 1928, George Gamow había resuelto la teoría de la descomposición alfa mediante túneles. La partícula alfa queda atrapada dentro del núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo. y una barrera de potencial electromagnético repulsivo. Clásicamente, está prohibido escapar, pero de acuerdo con los (entonces) recién descubiertos principios de la mecánica cuántica, tiene una pequeña (pero distinta de cero) probabilidad de 'tunelizar'; a través de la barrera y apareciendo en el otro lado para escapar del núcleo. Gamow resolvió un potencial modelo para el núcleo y derivó, a partir de los primeros principios, una relación entre la vida media de la descomposición y la energía de la emisión, que se había descubierto previamente empíricamente y se conocía como la ley de Geiger-Nuttall.

Mecanismo

La fuerza nuclear que mantiene unido un núcleo atómico es muy fuerte, en general mucho más fuerte que las fuerzas electromagnéticas de repulsión entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear también es de corto alcance, cayendo rápidamente en fuerza más allá de unos 3 femtómetros, mientras que la fuerza electromagnética tiene un alcance ilimitado. La fuerza de la fuerza nuclear atractiva que mantiene unido un núcleo es, por lo tanto, proporcional al número de nucleones, pero la fuerza electromagnética disruptiva total de repulsión protón-protón que intenta romper el núcleo es aproximadamente proporcional al cuadrado de su número atómico. Un núcleo con 210 o más nucleones es tan grande que la fuerte fuerza nuclear que lo mantiene unido apenas puede contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones que contiene. La desintegración alfa ocurre en tales núcleos como un medio para aumentar la estabilidad al reducir el tamaño.

Una curiosidad es por qué las partículas alfa, los núcleos de helio, deben emitirse preferentemente frente a otras partículas como un único protón o neutrón u otros núcleos atómicos. Parte de la razón es la alta energía de enlace de la partícula alfa, lo que significa que su masa es menor que la suma de las masas de dos protones libres y dos neutrones libres. Esto aumenta la energía de desintegración. Cálculo de la energía de desintegración total dada por la ecuación

Edi=()mi− − mf− − mp)c2{displaystyle ¿Qué?

Estas energías de desintegración, sin embargo, son sustancialmente más pequeñas que la barrera de potencial repulsivo creada por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética, que evita que la partícula alfa escape. La energía necesaria para llevar una partícula alfa desde el infinito hasta un punto cercano al núcleo justo fuera del rango de influencia de la fuerza nuclear generalmente está en el rango de aproximadamente 25 MeV. Se puede pensar que una partícula alfa dentro del núcleo está dentro de una barrera de potencial cuyas paredes están 25 MeV por encima del potencial en el infinito. Sin embargo, las partículas alfa en descomposición solo tienen energías de alrededor de 4 a 9 MeV por encima del potencial en el infinito, mucho menos que la energía necesaria para superar la barrera y escapar.

La mecánica cuántica, sin embargo, permite que la partícula alfa escape a través de un túnel cuántico. La teoría del túnel cuántico de la desintegración alfa, desarrollada de forma independiente por George Gamow y por Ronald Wilfred Gurney y Edward Condon en 1928, fue aclamada como una confirmación muy sorprendente de la teoría cuántica. Esencialmente, la partícula alfa escapa del núcleo no adquiriendo suficiente energía para atravesar la pared que la confina, sino atravesando la pared. Gurney y Condon hicieron la siguiente observación en su artículo al respecto:

Hasta ahora ha sido necesario postular alguna 'intabilidad' 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... Mucho se ha escrito de la violencia explosiva con la que la partícula α se hunde de su lugar en el núcleo. Pero desde el proceso que se imagina arriba, se diría que la partícula α casi se desliza sin darse cuenta.

La teoría supone que la partícula alfa puede considerarse una partícula independiente dentro de un núcleo, es decir, en constante movimiento pero retenida dentro del núcleo por una fuerte interacción. En cada colisión con la barrera de potencial de repulsión de la fuerza electromagnética, existe una pequeña probabilidad distinta de cero de que se abrirá paso por un túnel. Una partícula alfa con una velocidad de 1,5×10⁷ m/s dentro de un diámetro nuclear de aproximadamente 10⁻¹⁴ m chocará con la barrera más de 10²¹ veces por segundo. Sin embargo, si la probabilidad de escape en cada colisión es muy pequeña, la vida media del radioisótopo será muy larga, ya que es el tiempo requerido para que la probabilidad total de escape alcance el 50%. Como ejemplo extremo, la vida media del isótopo bismuto-209 es 2.01×10¹⁹ años.

Los isótopos en las isobaras estables de desintegración beta que también son estables con respecto a la desintegración beta doble con número de masa A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 y A ≥ 165 sufren decaimiento alfa. Todos los demás números de masa (isobaras) tienen exactamente un nucleido teóricamente estable. Aquellos con masa 5 se descomponen en helio-4 y un protón o un neutrón, y aquellos con masa 8 se desintegran en dos núcleos de helio-4; sus vidas medias (helio-5, litio-5 y berilio-8) son muy cortas, a diferencia de las vidas medias de todos los demás nucleidos con A ≤ 209, que son muy largas. (Tales nucleidos con A ≤ 209 son nucleidos primordiales excepto ¹⁴⁶Sm.)

Resolver los detalles de la teoría conduce a una ecuación que relaciona la vida media de un radioisótopo con la energía de descomposición de sus partículas alfa, una derivación teórica de la ley empírica de Geiger-Nuttall.

Usos

El americio-241, un emisor alfa, se usa en detectores de humo. Las partículas alfa ionizan el aire en una cámara de iones abierta y una pequeña corriente fluye a través del aire ionizado. Las partículas de humo del fuego que ingresan a la cámara reducen la corriente y activan la alarma del detector de humo.

Radium-223 también es un emisor alfa. Se utiliza en el tratamiento de metástasis esqueléticas (cánceres en los huesos).

La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados para las sondas espaciales y para los marcapasos cardíacos artificiales. La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva.

Los eliminadores de estática suelen utilizar polonio-210, un emisor alfa, para ionizar el aire, lo que permite que la 'adherencia estática' disiparse más rápidamente.

Toxicidad

Las partículas alfa, altamente cargadas y pesadas, pierden varios MeV de energía dentro de un pequeño volumen de material, junto con un camino libre medio muy corto. Esto aumenta la posibilidad de roturas de doble cadena del ADN en casos de contaminación interna, cuando se ingiere, inhala, inyecta o introduce a través de la piel. De lo contrario, tocar una fuente alfa generalmente no es dañino, ya que las partículas alfa están protegidas de manera efectiva por unos pocos centímetros de aire, un trozo de papel o la delgada capa de células muertas de la piel que forman la epidermis; sin embargo, muchas fuentes alfa también van acompañadas de hijas de radio emisoras beta, y ambas suelen ir acompañadas de emisión de fotones gamma.

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

Sin embargo, el retroceso del núcleo principal (retroceso alfa) le proporciona una cantidad significativa de energía, lo que también provoca daños por ionización (ver radiación ionizante). Esta energía es aproximadamente el peso del alfa (4 u) dividido por el peso del padre (típicamente alrededor de 200 u) multiplicado por la energía total del alfa. Según algunas estimaciones, esto podría explicar la mayor parte del daño por radiación interna, ya que el núcleo de retroceso es parte de un átomo que es mucho más grande que una partícula alfa y provoca un rastro muy denso de ionización; el átomo es típicamente un metal pesado, que se acumula preferentemente en los cromosomas. En algunos estudios, esto ha resultado en un RBE cercano a 1000 en lugar del valor utilizado en las regulaciones gubernamentales.

El mayor contribuyente natural a la dosis de radiación pública es el radón, un gas radiactivo natural que se encuentra en el suelo y las rocas. Si se inhala el gas, algunas de las partículas de radón pueden adherirse al revestimiento interno del pulmón. Estas partículas continúan decayendo, emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células del tejido pulmonar. La muerte de Marie Curie a los 66 años por anemia aplásica probablemente se debió a una exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante, pero no está claro si se debió a la radiación alfa o a los rayos X. Curie trabajó mucho con el radio, que se descompone en radón, junto con otros materiales radiactivos que emiten rayos beta y gamma. Sin embargo, Curie también trabajó con tubos de rayos X sin blindaje durante la Primera Guerra Mundial, y el análisis de su esqueleto durante un nuevo entierro mostró un nivel relativamente bajo de carga de radioisótopos.

Se cree que el asesinato por envenenamiento por radiación del disidente ruso Alexander Litvinenko en 2006 se llevó a cabo con polonio-210, un emisor alfa.