Decaimento alfa

Representação visual da decadência alfa

Decaimento alfa ou α-decaimento é um tipo de decaimento radioativo no qual um núcleo atômico emite uma partícula alfa (núcleo de hélio) e assim transforma ou ' decai' em um núcleo atômico diferente, com um número de massa reduzido em quatro e um número atômico reduzido em dois. Uma partícula alfa é idêntica ao núcleo de um átomo de hélio-4, que consiste em dois prótons e dois nêutrons. Tem uma carga de +2 e e uma massa de 4 u. Por exemplo, o urânio-238 decai para formar o tório-234.

Embora as partículas alfa tenham uma carga +2 e, esta geralmente não é mostrado porque uma equação nuclear descreve uma reação nuclear sem considerar os elétrons – uma convenção que não implica que os núcleos ocorram necessariamente em átomos neutros.

O decaimento alfa normalmente ocorre nos nuclídeos mais pesados. Teoricamente, pode ocorrer apenas em núcleos um pouco mais pesados que o níquel (elemento 28), onde a energia de ligação total por núcleon não é mais um máximo e os nuclídeos são, portanto, instáveis em relação a processos espontâneos do tipo fissão. Na prática, esse modo de decaimento só foi observado em nuclídeos consideravelmente mais pesados que o níquel, com os emissores alfa mais leves conhecidos sendo os isótopos mais leves (números de massa 104–109) do telúrio (elemento 52). Excepcionalmente, no entanto, o berílio-8 decai para duas partículas alfa.

O decaimento alfa é de longe a forma mais comum de decaimento de aglomerado, onde o átomo pai ejeta uma coleção filha definida de núcleons, deixando outro produto definido para trás. É a forma mais comum devido à combinação de energia de ligação nuclear extremamente alta e massa relativamente pequena da partícula alfa. Como outros decaimentos de aglomerados, o decaimento alfa é fundamentalmente um processo de tunelamento quântico. Ao contrário do decaimento beta, ele é governado pela interação entre a força nuclear forte e a força eletromagnética.

As partículas alfa têm uma energia cinética típica de 5 MeV (ou ≈ 0,13% de sua energia total, 110 TJ/kg) e têm uma velocidade de cerca de 15.000.000 m/s, ou 5% da velocidade da luz. Há uma variação surpreendentemente pequena em torno dessa energia, devido à forte dependência da meia-vida desse processo com a energia produzida. Devido à sua massa relativamente grande, a carga elétrica de +2 e e velocidade relativamente baixa, é muito provável que as partículas alfa interajam com outros átomos e percam sua energia, e seu movimento para a frente pode ser interrompido por alguns centímetros de ar.

Aproximadamente 99% do hélio produzido na Terra é resultado do decaimento alfa de depósitos subterrâneos de minerais contendo urânio ou tório. O hélio é trazido à superfície como subproduto da produção de gás natural.

História

As partículas alfa foram descritas pela primeira vez nas investigações de radioatividade por Ernest Rutherford em 1899, e em 1907 foram identificadas como íons He²⁺. Em 1928, George Gamow havia resolvido a teoria do decaimento alfa via tunelamento. A partícula alfa está presa dentro do núcleo por um poço de potencial nuclear atraente e uma barreira de potencial eletromagnético repulsiva. Classicamente, é proibido escapar, mas de acordo com os (então) recém-descobertos princípios da mecânica quântica, tem uma probabilidade minúscula (mas diferente de zero) de "tunelamento" através da barreira e aparecendo do outro lado para escapar do núcleo. Gamow resolveu um potencial modelo para o núcleo e derivou, a partir dos primeiros princípios, uma relação entre a meia-vida do decaimento e a energia da emissão, que havia sido previamente descoberta empiricamente e era conhecida como lei Geiger-Nuttall.

Mecanismo

A força nuclear que mantém um núcleo atômico unido é muito forte, em geral muito mais forte do que as forças eletromagnéticas repulsivas entre os prótons. No entanto, a força nuclear também é de curto alcance, caindo rapidamente em força além de cerca de 3 femtômetros, enquanto a força eletromagnética tem um alcance ilimitado. A força da força nuclear atrativa que mantém um núcleo unido é, portanto, proporcional ao número de núcleons, mas a força eletromagnética disruptiva total da repulsão próton-próton tentando separar o núcleo é aproximadamente proporcional ao quadrado de seu número atômico. Um núcleo com 210 ou mais núcleons é tão grande que a forte força nuclear que o mantém coeso mal consegue contrabalançar a repulsão eletromagnética entre os prótons que ele contém. O decaimento alfa ocorre em tais núcleos como um meio de aumentar a estabilidade reduzindo o tamanho.

Uma curiosidade é por que as partículas alfa, núcleos de hélio, devem ser preferencialmente emitidas em oposição a outras partículas como um único próton ou nêutron ou outros núcleos atômicos. Parte do motivo é a alta energia de ligação da partícula alfa, o que significa que sua massa é menor que a soma das massas de dois prótons livres e dois nêutrons livres. Isso aumenta a energia de desintegração. Calculando a energia de desintegração total dada pela equação

EDEu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(mEu...- Sim. - Sim. mf- Sim. - Sim. mp)c2Não. E_{di}=(m_{text{i}}-m_{text{f}}-m_{text{p}})c^{2}}

Essas energias de desintegração, no entanto, são substancialmente menores do que a barreira de potencial repulsivo criada pela interação entre a força nuclear forte e a força eletromagnética, que impede a fuga da partícula alfa. A energia necessária para trazer uma partícula alfa do infinito para um ponto próximo ao núcleo fora do alcance da influência da força nuclear é geralmente na faixa de cerca de 25 MeV. Uma partícula alfa dentro do núcleo pode ser considerada como estando dentro de uma barreira de potencial cujas paredes estão 25 MeV acima do potencial no infinito. No entanto, as partículas alfa de decaimento têm apenas energias em torno de 4 a 9 MeV acima do potencial no infinito, muito menos do que a energia necessária para superar a barreira e escapar.

A mecânica quântica, no entanto, permite que a partícula alfa escape por meio do tunelamento quântico. A teoria do tunelamento quântico do decaimento alfa, desenvolvida independentemente por George Gamow e por Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon em 1928, foi saudada como uma confirmação muito impressionante da teoria quântica. Essencialmente, a partícula alfa escapa do núcleo não adquirindo energia suficiente para passar pela parede que a confina, mas abrindo um túnel através da parede. Gurney e Condon fizeram a seguinte observação em seu artigo sobre isso:

Foi até agora necessário postular alguma "instabilidade" arbitrária especial do núcleo, mas na seguinte nota, é apontado que a desintegração é uma consequência natural das leis da mecânica quântica sem qualquer hipótese especial... Muito foi escrito da violência explosiva com que a partícula α é arrancada do seu lugar no núcleo. Mas a partir do processo retratado acima, um preferiria dizer que o α-partícula quase escapa despercebido.

A teoria supõe que a partícula alfa pode ser considerada uma partícula independente dentro de um núcleo, que está em movimento constante, mas mantida dentro do núcleo por forte interação. A cada colisão com a barreira de potencial repulsivo da força eletromagnética, há uma pequena probabilidade diferente de zero de que ela abrirá um túnel para sair. Uma partícula alfa com velocidade de 1,5×10⁷ m/s dentro de um diâmetro nuclear de aproximadamente 10⁻¹⁴ m colidirá com a barreira a mais de 10²¹ vezes por segundo. Porém, se a probabilidade de fuga a cada colisão for muito pequena, a meia-vida do radioisótopo será muito longa, pois é o tempo necessário para que a probabilidade total de fuga chegue a 50%. Como exemplo extremo, a meia-vida do isótopo bismuto-209 é 2,01×10¹⁹ anos.

Os isótopos em isóbaros estáveis de decaimento beta que também são estáveis em relação ao decaimento beta duplo com número de massa A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 e A ≥ 165 são teorizados para sofrer decaimento alfa. Todos os outros números de massa (isóbaros) têm exatamente um nuclídeo teoricamente estável. Aqueles com massa 5 decaem para hélio-4 e um próton ou um nêutron, e aqueles com massa 8 decaem para dois núcleos de hélio-4; suas meias-vidas (hélio-5, lítio-5 e berílio-8) são muito curtas, ao contrário das meias-vidas de todos os outros nuclídeos com A ≤ 209, que são muito longas. (Tais nuclídeos com A ≤ 209 são nuclídeos primordiais, exceto ¹⁴⁶Sm.)

A elaboração dos detalhes da teoria leva a uma equação que relaciona a meia-vida de um radioisótopo à energia de decaimento de suas partículas alfa, uma derivação teórica da lei empírica de Geiger-Nuttall.

Usos

Amerício-241, um emissor alfa, é usado em detectores de fumaça. As partículas alfa ionizam o ar em uma câmara de íons aberta e uma pequena corrente flui através do ar ionizado. As partículas de fumaça do fogo que entram na câmara reduzem a corrente, acionando o alarme do detector de fumaça.

O rádio-223 também é um emissor alfa. É utilizado no tratamento de metástases esqueléticas (cânceres nos ossos).

O decaimento alfa pode fornecer uma fonte de energia segura para geradores termoelétricos de radioisótopos usados para sondas espaciais e foram usados para marcapassos cardíacos artificiais. O decaimento alfa é muito mais facilmente protegido do que outras formas de decaimento radioativo.

Os eliminadores de estática normalmente usam polônio-210, um emissor alfa, para ionizar o ar, permitindo que a 'aderência estática' para se dissipar mais rapidamente.

Toxicidade

Altamente carregadas e pesadas, as partículas alfa perdem seus vários MeV de energia dentro de um pequeno volume de material, juntamente com um caminho livre médio muito curto. Isso aumenta a chance de quebras de fita dupla no DNA em casos de contaminação interna, quando ingerido, inalado, injetado ou introduzido pela pele. Caso contrário, tocar em uma fonte alfa normalmente não é prejudicial, pois as partículas alfa são efetivamente protegidas por alguns centímetros de ar, um pedaço de papel ou a fina camada de células mortas da pele que compõem a epiderme; no entanto, muitas fontes alfa também são acompanhadas por filhas de rádio emissoras beta, e ambas são frequentemente acompanhadas por emissão de fótons gama.

A eficácia biológica relativa (RBE) quantifica a capacidade da radiação de causar certos efeitos biológicos, principalmente câncer ou morte celular, para uma exposição equivalente à radiação. A radiação alfa tem um alto coeficiente de transferência de energia linear (LET), que é cerca de uma ionização de uma molécula/átomo para cada angstrom de deslocamento da partícula alfa. O RBE foi definido no valor de 20 para radiação alfa por vários regulamentos governamentais. O RBE é definido em 10 para irradiação de nêutrons e em 1 para radiação beta e fótons ionizantes.

No entanto, o recuo do núcleo pai (recuo alfa) fornece uma quantidade significativa de energia, que também causa danos de ionização (ver radiação ionizante). Essa energia é aproximadamente o peso do alfa (4 u) dividido pelo peso do pai (normalmente cerca de 200 u) vezes a energia total do alfa. Segundo algumas estimativas, isso pode ser responsável pela maior parte dos danos internos da radiação, já que o núcleo de recuo faz parte de um átomo muito maior que uma partícula alfa e causa um rastro muito denso de ionização; o átomo é tipicamente um metal pesado, que preferencialmente se acumula nos cromossomos. Em alguns estudos, isso resultou em um RBE próximo a 1.000, em vez do valor usado nas regulamentações governamentais.

O maior contribuinte natural para a dose de radiação pública é o radônio, um gás radioativo natural encontrado no solo e nas rochas. Se o gás for inalado, algumas das partículas de radônio podem aderir ao revestimento interno do pulmão. Essas partículas continuam a decair, emitindo partículas alfa, que podem danificar as células do tecido pulmonar. A morte de Marie Curie aos 66 anos de idade de anemia aplástica foi provavelmente causada por exposição prolongada a altas doses de radiação ionizante, mas não está claro se isso foi devido à radiação alfa ou raios-X. Curie trabalhou extensivamente com rádio, que se decompõe em radônio, juntamente com outros materiais radioativos que emitem raios beta e gama. No entanto, Curie também trabalhou com tubos de raios-X não blindados durante a Primeira Guerra Mundial, e a análise de seu esqueleto durante um enterro mostrou um nível relativamente baixo de carga de radioisótopos.