La desintegración alfa o desintegración α es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa ( núcleo de helio ) y, por lo tanto, se transforma o "decae" en un núcleo atómico diferente, con un número másico 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 de4 Da . Por ejemplo, el uranio-238 se desintegra para formar torio-234 .
Mientras que las partículas alfa tienen carga +2 e , esto no suele mostrarse porque una ecuación nuclear describe una reacción nuclear sin considerar los electrones, una convención que no implica que los núcleos necesariamente se encuentren en átomos neutros.
La desintegración alfa ocurre típicamente en los nucleidos más pesados . Teóricamente, puede ocurrir solo en núcleos algo más pesados que el níquel (elemento 28), donde la energía de enlace total por nucleón ya no es máxima y los nucleidos son, por lo tanto, inestables frente a procesos de fisión espontánea. En la práctica, este modo de desintegración solo se ha observado en nucleidos considerablemente más pesados que el níquel, siendo el emisor alfa más ligero conocido el segundo isótopo más ligero del antimonio , 104 Sb . [1] Sin embargo, excepcionalmente, el berilio-8 se desintegra en dos partículas alfa.
La desintegración alfa es, con diferencia, la forma más común de desintegración en cúmulos , en la que el átomo padre expulsa una colección definida de nucleones hijos , 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 en cúmulos, la desintegración alfa es fundamentalmente un proceso de efecto túnel cuántico . A diferencia de la desintegración beta , está gobernada 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 unos 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 con la energía producida. Debido a su masa relativamente grande, la carga eléctrica de+2 e y una velocidad relativamente baja, las partículas alfa tienen muchas probabilidades de interactuar con otros átomos y perder su energía, y su movimiento hacia adelante puede detenerse con unos pocos centímetros de aire .
Aproximadamente el 99% del 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 subproducto de la producción de gas natural .
Las partículas alfa fueron descritas por primera vez en las investigaciones de la radiactividad por Ernest Rutherford en 1899, y en 1907 fueron identificadas como iones He 2+ . En 1928, George Gamow había resuelto la teoría de la desintegración alfa mediante efecto túnel. La partícula alfa está atrapada dentro del núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo y una barrera de potencial electromagnético repulsiva . Clásicamente, tiene prohibido escapar, pero según los principios de la mecánica cuántica (entonces) recién descubiertos , tiene una probabilidad minúscula (pero no nula) de " tunelizar " a través de la barrera y aparecer por 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 desintegración y la energía de la emisión, que se había descubierto previamente de forma empírica y se conocía como la ley de Geiger-Nuttall . [2]
La fuerza nuclear que mantiene unido un núcleo atómico es muy fuerte, en general mucho más fuerte que las fuerzas electromagnéticas repulsivas entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear también es de corto alcance, disminuyendo rápidamente en intensidad 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 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 fuerza nuclear fuerte que lo mantiene unido apenas puede contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones que contiene. La desintegración alfa se produce en estos núcleos como un medio para aumentar la estabilidad reduciendo el tamaño. [3]
Una curiosidad es por qué las partículas alfa, los núcleos de helio, deberían emitirse preferentemente en lugar de otras partículas como un solo protón o neutrón u otros núcleos atómicos . [nota 1] 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. Calculando la energía de desintegración total dada por la ecuación donde m i es la masa inicial del núcleo, m f es la masa del núcleo después de la emisión de la partícula y m p es la masa de la partícula (alfa) emitida, se encuentra que en ciertos casos es positiva y, por lo tanto, la emisión de partículas alfa es posible, mientras que otros modos de desintegración requerirían que se añadiera energía. Por ejemplo, realizando el cálculo para el uranio-232 se muestra que la emisión de partículas alfa libera 5,4 MeV de energía, mientras que la emisión de un solo protón requeriría 6,1 MeV. La mayor parte de la energía de desintegración se convierte en energía cinética de la partícula alfa, aunque para cumplir con la conservación del momento , parte de la energía va al retroceso del propio núcleo (ver retroceso atómico ). Sin embargo, dado que los números de masa de la mayoría de los radioisótopos emisores alfa superan 210, mucho mayor que el número de masa de la partícula alfa (4), la fracción de la energía que va al retroceso del núcleo es generalmente bastante pequeña, menos del 2%. [3] Sin embargo, la energía de retroceso (en la escala de keV) sigue siendo mucho mayor que la fuerza de los enlaces químicos (en la escala de eV), por lo que el nucleido hijo se separará del entorno químico en el que estaba el padre. Las energías y las proporciones de las partículas alfa se pueden utilizar para identificar al padre radiactivo mediante espectrometría alfa .
Sin embargo, estas energías de desintegración son sustancialmente menores que la barrera de potencial repulsivo creada por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética, que impide que la partícula alfa escape. La energía necesaria para llevar una partícula alfa desde el infinito a un punto cercano al núcleo justo fuera del rango de influencia de la fuerza nuclear está generalmente en el rango de aproximadamente 25 MeV. Una partícula alfa dentro del núcleo puede considerarse como si estuviera dentro de una barrera de potencial cuyas paredes están 25 MeV por encima del potencial en el infinito. Sin embargo, las partículas alfa de desintegración 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.
Sin embargo, la mecánica cuántica permite que la partícula alfa escape a través de un efecto túnel cuántico. La teoría del efecto túnel cuántico de la desintegración alfa, desarrollada independientemente por George Gamow [4] y por Ronald Wilfred Gurney y Edward Condon en 1928, [5] 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 haciendo un túnel a través de la pared. Gurney y Condon hicieron la siguiente observación en su artículo al respecto:
Hasta ahora ha sido necesario postular una "inestabilidad" arbitraria especial del núcleo, pero en la nota siguiente se señala que la desintegración es una consecuencia natural de las leyes de la mecánica cuántica sin ninguna hipótesis especial... Se ha escrito mucho sobre la violencia explosiva con la que la partícula α es arrojada desde su lugar en el núcleo. Pero a partir del proceso representado arriba, uno diría más bien que la partícula α casi se desliza sin que nadie se dé cuenta. [5]
La teoría supone que la partícula alfa puede considerarse una partícula independiente dentro de un núcleo, que está en constante movimiento pero se mantiene dentro del núcleo por una fuerte interacción. En cada colisión con la barrera de potencial repulsivo de la fuerza electromagnética, existe una pequeña probabilidad no nula de que se abra paso a través de un túnel. 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 escape en cada colisión es muy pequeña, la vida media del radioisótopo será muy larga, ya que es el tiempo necesario para que la probabilidad total de escape alcance el 50%. Como ejemplo extremo, la vida media del isótopo bismuto-209 es2,01 × 10 19 años .
Se cree que los isótopos en isóbaros 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 experimentan desintegración alfa. Todos los demás números de masa ( isóbaros ) tienen exactamente un nucleido teóricamente estable . Aquellos con masa 5 se desintegran 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. (Estos nucleidos con A ≤ 209 son nucleidos primordiales excepto 146 Sm.) [6]
La elaboración de los detalles de la teoría conduce a una ecuación que relaciona la vida media de un radioisótopo con la energía de desintegración de sus partículas alfa, una derivación teórica de la ley empírica de Geiger-Nuttall .
El americio-241 , un emisor alfa , se utiliza en los 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 incendio que entran en la cámara reducen la corriente, lo que activa la alarma del detector de humo.
El radio-223 también es un emisor alfa . Se utiliza en el tratamiento de metástasis óseas (cánceres en los huesos).
La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados en sondas espaciales [7] y se utilizaron para marcapasos cardíacos artificiales . [8] La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva.
Los eliminadores de estática generalmente utilizan polonio-210 , un emisor alfa, para ionizar el aire, lo que permite que la "estática" se disipe más rápidamente.
Las partículas alfa, muy cargadas y pesadas, pierden varios MeV de energía en un pequeño volumen de material, junto con un recorrido libre medio muy corto . Esto aumenta la posibilidad de roturas de doble cadena del ADN en casos de contaminación interna, cuando se ingieren, inhalan, inyectan o introducen a través de la piel. De lo contrario, tocar una fuente alfa no suele ser perjudicial, ya que las partículas alfa están protegidas de forma eficaz por unos pocos centímetros de aire, un trozo de papel o la fina capa de células cutáneas muertas que forman la epidermis ; sin embargo, muchas fuentes alfa también están acompañadas de hijas de radio que emiten rayos beta , y ambas suelen ir acompañadas de emisión de fotones gamma.
La eficacia biológica relativa (EBR) cuantifica la capacidad de la radiación para causar ciertos efectos biológicos, en particular cáncer o muerte celular , para una exposición equivalente a la radiación. La radiación alfa tiene un coeficiente de transferencia de energía lineal (LET) alto, que es aproximadamente una ionización de una molécula/átomo por cada angstrom de viaje de la partícula alfa. La EBR se ha fijado en el valor 20 para la radiación alfa por diversas regulaciones gubernamentales. La EBR se ha fijado en 10 para la irradiación de neutrones y en 1 para la radiación beta y los fotones ionizantes.
Sin embargo, el retroceso del núcleo original (retroceso alfa) le proporciona una cantidad significativa de energía, que también causa daño por ionización (ver radiación ionizante ). Esta energía es aproximadamente el peso del núcleo alfa (4 Da ) dividido por el peso del progenitor (normalmente unos 200 Da) multiplicado por la energía total de la 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 mucho más grande que una partícula alfa y provoca un rastro de ionización muy denso; el átomo es normalmente un metal pesado , que se acumula preferentemente en los cromosomas . En algunos estudios, [9] esto ha dado como resultado 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. [10] Si se inhala el gas, algunas de las partículas de radón pueden adherirse al revestimiento interno del pulmón. Estas partículas continúan descomponiéndose, emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células del tejido pulmonar. [11] La muerte de Marie Curie a los 66 años por anemia aplásica probablemente fue causada por la exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante, pero no está claro si esto se debió a la radiación alfa o a los rayos X. Curie trabajó extensamente con radio, que se descompone en radón, [12] 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 desertor ruso Alexander Litvinenko en 2006 se llevó a cabo con polonio-210 , un emisor alfa.
