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 con ello se transforma o "desintegra" en un núcleo atómico diferente, con un número másico que se reduce a cuatro y un número atómico reducido. número 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 un cargo de+2 e y una masa de4 días . Por ejemplo, el uranio-238 se desintegra para formar torio-234 .
Mientras que las partículas alfa tienen carga +2 e , esto generalmente no se muestra 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 . En teoría, esto sólo puede ocurrir en núcleos algo más pesados que el níquel (elemento 28), donde la energía de enlace total por nucleón ya no es máxima y, por lo tanto, los nucleidos son inestables frente a procesos espontáneos de fisión. En la práctica, este modo de desintegración sólo 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 , el 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 de cúmulos , en la que el átomo principal expulsa una colección hija definida de nucleones, dejando 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 túnel cuántico . 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 de velocidad relativamente baja, es muy probable que las partículas alfa interactúen con otros átomos y pierdan 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 resultado de la desintegración alfa de depósitos subterráneos de minerales que contienen uranio o torio . El helio sale 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 la construcción de 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 según los (entonces) recién descubiertos principios de la mecánica cuántica , tiene una probabilidad pequeña (pero distinta de cero) de " hacer un túnel " a través de la barrera y aparecer por el otro lado para escapar del núcleo. . Gamow resolvió un modelo de potencial para el núcleo y derivó, a partir de primeros principios, una relación entre la vida media de la desintegración y la energía de la emisión, que había sido descubierta empíricamente previamente y se conocía como 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 de repulsión entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear también es de corto alcance, y su fuerza disminuye rápidamente más allá de unos 3 femtómetros , mientras que la fuerza electromagnética tiene un alcance ilimitado. La fuerza de la fuerza nuclear de atracción 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 ocurre en dichos núcleos como una forma de 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. Calcular la energía de desintegración total dada por la ecuación
Estas energías de desintegración, sin embargo, son sustancialmente más pequeñas que la barrera potencial repulsiva creada por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética, que impide 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 considerar 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 desintegración sólo 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 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 pasar por encima de la pared que la confina, sino a través de 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 alguna "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 la partícula α es lanzada desde su lugar en el núcleo. Pero del proceso ilustrado arriba, uno diría más bien que la partícula α casi pasa desapercibida. [5]
La teoría supone que la partícula alfa puede considerarse una partícula independiente dentro de un núcleo, es decir, que está en constante movimiento pero mantenida dentro del núcleo mediante una fuerte interacción. En cada colisión con la barrera de potencial repulsivo de la fuerza electromagnética, existe una pequeña probabilidad distinta de cero de que se abra un túnel para salir. 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 teoriza que 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 experimentan alfa. decadencia. Todos los demás números de masa ( isobaras ) tienen exactamente un nucleido teóricamente estable . Los de masa 5 se desintegran en helio-4 y un protón o un neutrón , y los de 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 146 Sm.) [6]
Resolver 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 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.
El radio-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 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 suelen utilizar polonio-210 , un emisor alfa, para ionizar el aire, permitiendo que la "adherencia estática" se disipe más rápidamente.
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 que se rompa la doble cadena del ADN en casos de contaminación interna, cuando se ingiere, se inhala, se inyecta o se introduce a través de la piel. De lo contrario, tocar una fuente alfa no suele ser perjudicial, ya que las partículas alfa quedan protegidas eficazmente por unos pocos centímetros de aire, un trozo de papel o la fina 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 efectividad 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. Varias regulaciones gubernamentales han fijado el RBE en el valor 20 para la radiación alfa. El RBE se fija en 10 para la irradiación 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 Da ) dividido por el peso del padre (normalmente alrededor de 200 Da) 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 en retroceso es parte de un átomo que es mucho más grande que una partícula alfa y provoca una estela de ionización muy densa; El átomo suele ser un metal pesado , que se acumula preferentemente en los cromosomas . En algunos estudios, [9] esto ha resultado en una RBE cercana 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 de origen 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 una 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 protección 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.
