Desintegració alfa

Desintegració alfa

Desintegració alfa.

La desintegració alfa o decaiguda alfa és una variant de desintegració radiactiva per la qual un núcleu atòmic emet una partícula alfa i es convertix en un núcleu en quatre unitats menys de número másico i dos unitats menys de número atómico.

Se li pot considerar emissió espontànea de núcleus d'heli 4 (⁴He²⁺) —en avant partícules α— a partir de núcleus d'àtoms més pesats, per mig d'un procés de fissió nuclear espontànea. Este tipo de desintegració és típic únicament dels núcleus atòmics molt pesats.

El telur 106 (¹⁰⁶Et) és l'isòtop més llauger en el qual ocorre desintegració alfa en la naturalea. Artificialment, el berili 8 (⁸Be) es desintegra en dos partícules alfa, en el procés triple alfa, essencial per a generació de carbono 12 (¹²C) en l'interior de les estreles.

La seqüència d'este fenomen de desintegració es representa per mig de l'equació següent:

${}_Z^A\text{X}\to {}_{Z-2}^{A-4}\text{Y}+{}_2^4{\text{He}}^{2+}={}_{Z-2}^{A-4}\text{Y}+\alpha$.

En l'urani 238, per eixemple:

${}^2{}_{92}^{38}\text{U}\to {}^2{}_{90}^{34}\text{Th}+\alpha$

La primera equació no està equilibrada eléctricament. Pero, en la majoria dels casos el núcleu resultant pert ràpidament dos electrons en favor de la partícula alfa i es convertix en un àtom de (⁴He), eléctricamente neutre.

Per esta raó, en la majoria dels casos, quan existix un mineral d'alt contingut d'un o més elements radiactius, en les seues afores, per la via de decaiguda alfa, es formen bosses de ⁴He.

Tot l'heli existent en la Terra s'origina per mig de desintegració alfa d'elements radiactius. Per açò sol trobar-se en depòsits minerals rics en urani o en tori. Aixina mateix s'obté com subproducte en pous d'extracció de gas natural.

l'espectre propi de la desintegració és discret: en un estudi espectroscópico poden observar-se picos en energies identificables en les pròpies del procés de decaiguda.

El ranc d'energies als que els núcleus emeten les partícules, $E_{\alpha }$, pot circumscriure's a 2 MeV $<E_{\alpha }<$ 9 MeV (megavoltios electrònics o megaelectronvoltios).

Encara que les partícules alfa tenen una càrrega +2 i, açò no sol mostrar-se perque una equació nuclear descriu una reacció nuclear sense considerar els electrons, una convenció que no implica que els núcleus es donen necessàriament en àtoms neutres.

La desintegració alfa ocorre típicament en els nuclidos més pesats. Teòricament, només pot ocórrer en núcleus alguna cosa més pesats que el níquel (element 28), a on l'energia d'enllaç global per nucleón ya no és màxima i els nucleidos són, per tant, inestables cap a processos de tipo fissió espontànea. En la pràctica, este modo de desintegració només s'ha observat en nucleidos considerablement més pesats que el níquel, sent els emissors alfa més llaugers coneguts els isòtops més llaugers (números másicos 104-109) del telur (element 52). Excepcionalment, no obstant, el berili-8 decau en dos partícules alfa.

La desintegració alfa és, en diferència, la forma més comuna de desintegració en cúmuls, en la que l'àtom pare expulsa una colecció definida de nucleones filla, deixant arrere un atre producte definit. És la forma més comuna per la combinació d'una energia d'enllaç nuclear extremadament alta i una massa relativament chicoteta de la partícula alfa. De la mateixa manera que atres desintegracions en cúmuls, la desintegració alfa és fonamentalment un procés de tunelización quàntica. A diferència de la desintegració beta, es rig per l'interacció entre la força nuclear forta i la força electromagnètica.

Les partícules alfas tenen una energia cinètica típica de 5 MeV (o ≈ 0,13% de la seua energia total, 110 TJ/kg) i una velocitat d'uns 15.000.000 m/s, o el 5% de la velocitat de la llum. Existix una variació sorprenentment chicoteta entorn a esta energia, per la la forta dependència de la vida mija d'este procés respecte a l'energia produïda. Per la seua massa relativament gran, a la càrrega elèctrica de +2 i i a la seua velocitat relativament baixa, és molt provable que les partícules alfa interactuen en atres àtoms i perguen la seua energia, i el seu moviment cap a avant pot ser detingut per uns pocs centímetros d'aire.

Aproximadament el 99% del heli produït en la Terra és el resultat de la desintegració alfa de depòsits subterràneus de minerals que contenen urani o tori. L'heli ix a la superfície com a subproducte de la producció de gas natural.

Història

Vore també: Partícula alfaHistòria del descobriment i us

Les partícules alfa es varen descriure per primera volta en les investigacions de la radiactivitat per Ernest Rutherford en 1899, i en 1907 es varen identificar com a ions He²⁺. En 1928, George Gamow havia resolt la teoria de la descomposició alfa a través de túnels. La partícula alfa queda atrapada dins del núcleu per un pou de potencial nuclear atractiu i una barrera potencial electromagnètica repulsiva. Clásicament, està prohibit escapar, pero d'acort en els (llavors) principis recent descoberts de mecànica quàntica, té una provabilitat chicoteta (pero distinta de zero) de "tunelización" a través de la barrera i apareixent en l'atre costat per a escapar del núcleu. Gamow va resoldre un potencial model per al núcleu i va derivar, a partir dels primers principis, una relació entre la vida mija de la desintegració i l'energia de l'emissió, que s'havia descobert prèviament empíricamente i es coneixia com Llei de Geiger-Nuttall.

Procés de decaiguda d'un núcleu

Potencial que afecta a una partícula alfa en les proximitats del núcleu.

El núcleu atòmic és la part central de l'àtom. Està format per protones i neutrons, units entre sí per l'interacció forta, la qual permet que el núcleu es mantinga estable pese a la repulsió electrostàtica entre els protones. La cantitat de protones en el núcleu determina l'element químic al que pertany.

La partícula α, d'energia $m_{\alpha }{c}^2=3727,378$ MeV, és una de les més estables. Per tant pot existir com a tal en l'estructura del núcleu pesat. L'energia cinètica típica de les partícules alfa resultants de la desintegració és de l'orde de 5 MeV (≈0,13 % de la seua energia total). La seua velocitat és de 15 000 km/s.

Es pot imaginar este fenomen com una partícula α atrapada en un pou de potencial quàntic generat pel restant de nucleones de l'àtom, a on el potencial culombiano més allà del radi de l'àtom és dominant.

Clásicament, si l'energia, I, de la partícula alfa fora superior a l'energia potencial, V(r), de la barrera de potencial, sent r el radi nuclear, aquella escaparia. Pero, normalment, la partícula no pot escapar de l'àtom, ya que deu superar la barrera culombiana, i es llimitaria a rebotar dins del núcleu.

L'explicació del fenomen va ser la confirmació del efecte túnel, predit en la mecànica quàntica i plantejat per George Gamow.

Una curiositat és per qué les partícules alfa, núcleus d'heli, deurien emetre's preferentment front a atres partícules com una única protones o neutrons o atres núcleus atòmics. Part de la raó és l'alta energia d'enllaç de la partícula alfa, lo que significa que la seua massa és menor que la suma de les masses de dos protones i dos neutrons lliures. Açò aumenta l'energia de desintegració. Calculant l'energia total de desintegració donada per l'equació $$E_{di}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^2,$$ a on m_i és la massa inicial del núcleu, m_f és la massa del núcleu despuix de l'emissió de la partícula, i m_p és la massa de la partícula (alfa) emesa, es troba que en certs casos és positiva i per tant és possible l'emissió de partícules alfa, mentres que atres modos de desintegració requeririen afegir energia. Per eixemple, realisant el càlcul per al urani-232 s'observa que l'emissió de partícules alfa llibera 5,4 MeV d'energia, mentres que una emissió d'un sol protó requeriria 6,1 MeV. La major part de l'energia de desintegració es convertix en energia cinètica de la partícula alfa, encara que per a complir en la conservació del moment, part de l'energia va a la reculada del propi núcleu. No obstant, ya que el número másico de la majoria dels radioisòtops emissors alfa és superior a 210, molt major que el número másico de la partícula alfa (4), la fracció de l'energia que es destina a la reculada del núcleu sol ser prou menuda, inferior al 2%. No obstant, l'energia de reculada (en l'escala de keV) seguix sent molt major que la força dels enllaços químics (en l'escala de eV), per lo que el nucleido fill se separarà de l'entorn químic en el que es trobava el progenitor. Les energies i proporcions de les partícules alfa es poden utilisar per a identificar el progenitor radiactiu per mig d'espectrometria alfa.

No obstant, estes energies de desintegració són substancialment menors que la barrera de potencial repulsiva creada per l'interacció entre la força nuclear forta i l'electromagnètica, que impedix que la partícula alfa escape. L'energia necessària per a dur una partícula alfa des de l'infinit fins a un punt propenc al núcleu, just fora de l'alcanç de l'influència de la força nuclear, és generalment de l'orde d'uns 25 MeV. Es pot pensar que una partícula alfa dins del núcleu es troba dins d'una barrera de potencial les parets de la qual estan 25 MeV per damunt del potencial en l'infinit. No obstant, les partícules alfa en desintegració només tenen energies d'uns 4 a 9 MeV per damunt del potencial en l'infinit, molt manco que l'energia necessària per a superar la barrera i escapar.

No obstant, la mecànica quàntica permet que la partícula alfa escape a través d'un túnel quàntic. La teoria del túnel quàntic de la desintegració alfa, desenrollada independentment per George Gamow i per Ronald Wilfred Gurney i Edward Condon en 1928, va ser aclamat com una confirmació molt sorprenent de la teoria quàntica. Essencialment, la partícula alfa escapa del núcleu no adquirint suficient energia per a passar per damunt de la paret que la confina, sino fent un túnel a través de la paret. Gurney i Condon varen fer la següent observació en el seu artícul al respecte:

Fins ara ha segut necessari postular alguna "inestabilitat" arbitrària especial del núcleu, pero en la nota següent se senyala que la desintegració és una conseqüència natural de les lleis de la mecànica quàntica sense cap hipòtesis especial.... S'ha escrit molt sobre la violència explosiva en la que la partícula α és expulsada del seu lloc en el núcleu. Pero a jujar pel procés descrit més dalt, es diria més be que la partícula α casi s'afora sense que nos donem conte.

.

La teoria supon que la partícula alfa pot considerar-se una partícula independent dins d'un núcleu, que està en constant moviment pero retinguda dins del núcleu per una interacció forta. En cada colisió en la barrera potencial repulsiva de la força electromagnètica, existix una chicoteta provabilitat distinta de zero de que faça un túnel per a eixir. Una partícula alfa en una velocitat d'1,5×10⁷ m/s dins d'un diàmetro nuclear d'aproximadament 10^-14 m colisionarà en la barrera més de 10²¹ voltes per segon. No obstant, si la provabilitat d'escape en cada colisió és molt menuda, la vida mija del radioisòtop serà molt llarga, ya que és el temps necessari per a que la provabilitat total d'escape alcance el 50%. Com a eixemple extrem, la vida mija de l'isòtop bismut-209 és de 2.01×10¹⁹.

Els isòtops en isobara estables a la desintegració beta que també són estables sobre la doble desintegració beta en número másico A = 5, A  = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, i A ≥ 165 es teoriza que sofrixen desintegració alfa. Tots els demés número (isóbaros) tenen exactament un isòtop estable teòric. Els de massa 5 es desintegren en heli-4 i un protón o un neutró, i els de massa 8 es desintegren en dos núcleus d'heli-4; les seues vides miges (heli-5, liti-5 i berili-8) són molt curtes, a diferència de les vides miges de tots els demés nucleidos d'este tipo en A ≤ 209, que són molt llargues. (Tals nucleidos en A ≤ 209 són nucleidos primordialss llevat ¹⁴⁶Sm.)

L'elaboració dels detalls de la teoria conduïx a una equació que relaciona la vida mija d'un radioisòtop en l'energia de desintegració de les seues partícules alfa, una derivació teòrica de la llei de Geiger-Nuttall empírica.

Vore també

• Desintegració beta
• Fissió nuclear
• Efecte túnel