Espectroscopia de partículas alfa

Medición cuantitativa de la energía de las partículas alfa

La espectrometría alfa (también conocida como espectroscopia de partículas alfa ) es el estudio cuantitativo de la energía de las partículas alfa emitidas por un nucleido radiactivo que es un emisor alfa .

Como las partículas alfa emitidas son monoenergéticas (es decir, no se emiten con un espectro de energías, como la desintegración beta ), con energías a menudo distintas a la desintegración, se pueden usar para identificar de qué radionúclido se originaron. ^[1]

Métodos experimentales

Ejemplo de cómo diferentes trayectorias de partículas alfa monoenergéticas emitidas perderían energía y, por lo tanto, provocarían un ensanchamiento de la señal en el espectro de líneas. Todas las trayectorias pierden energía en el aire y en la ventana del detector. Las trayectorias más largas pierden más energía. Las trayectorias iii y iv también muestran una pérdida de energía que pasa a través del material fuente en sí. Las flechas rojas indican la magnitud de la energía con la que se detecta la partícula.

Contando con una fuente depositada sobre un disco metálico

Es habitual colocar una gota de la solución de prueba sobre un disco de metal que luego se seca para formar una capa uniforme sobre el disco. Esta se utiliza luego como muestra de prueba. Si el espesor de la capa formada sobre el disco es demasiado grueso, las líneas del espectro se ensanchan a energías más bajas. Esto se debe a que parte de la energía de las partículas alfa se pierde durante su movimiento a través de la capa de material activo. ^[2]

Centelleo líquido

Un método alternativo es utilizar el recuento de centelleo líquido (LSC), donde la muestra se mezcla directamente con un cóctel de centelleo . Cuando se cuentan los eventos de emisión de luz individuales, el instrumento LSC registra la cantidad de energía luminosa por evento de desintegración radiactiva . Los espectros alfa obtenidos por recuento de centelleo líquido se amplían debido a las dos principales limitaciones intrínsecas del método LSC: (1) porque la extinción aleatoria reduce el número de fotones emitidos por desintegración radiactiva, y (2) porque los fotones emitidos pueden ser absorbidos por muestras turbias o coloreadas ( ley de Lambert-Beer ). Los espectros de centelleo líquido están sujetos al ensanchamiento gaussiano , en lugar de a la distorsión causada por la absorción de partículas alfa por la muestra cuando la capa de material activo depositada sobre un disco es demasiado gruesa.

Espectros alfa

Intensidad frente a la energía alfa para cuatro isótopos , tenga en cuenta que el ancho de línea es estrecho y se pueden ver los detalles finos.

Intensidad en función de la energía alfa para cuatro isótopos. Nótese que el ancho de la línea es amplio y no se pueden ver algunos de los detalles finos. Esto es para el conteo de centelleo líquido, donde los efectos aleatorios causan una variación en la cantidad de fotones visibles generados por desintegración alfa.

De izquierda a derecha, los picos se deben a ²⁰⁹ Po, ²³⁹ Pu, ²¹⁰ Po y ²⁴¹ Am. El hecho de que isótopos como ²³⁹ Pu y ²⁴¹ Am tengan más de una línea alfa indica que el núcleo (hija) puede estar en diferentes niveles de energía discretos .

Calibración: El MCA no funciona con energía, sino con voltaje. Para relacionar la energía con el voltaje, se debe calibrar el sistema de detección. Aquí se colocaron diferentes fuentes emisoras alfa de energía conocida debajo del detector y se registró el pico de energía completo.

Medición del espesor de láminas delgadas: Se miden las energías de las partículas alfa de fuentes radiactivas antes y después de atravesar las láminas delgadas. Mediante la medición de la diferencia y el uso de SRIM podemos medir el espesor de láminas delgadas.

Cinemática de la desintegración alfa

La energía de desintegración, Q (también llamada valor Q de la reacción ), corresponde a una desaparición de masa.

Para la reacción nuclear de desintegración alfa: , (donde P es el nucleido padre y D el hijo). ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}}$

${\displaystyle Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })\ c^{2}}$, o para ponerlo en las unidades más comúnmente utilizadas: Q (M eV ) = -931,5 Δ M ( Da ), (donde Δ M = ΣM _productos - ΣM _reactivos ). ^[3]

Cuando el nucleido hijo y la partícula alfa formada están en sus estados fundamentales (común para la desintegración alfa), la energía de desintegración total se divide entre los dos en energía cinética (T):

${\displaystyle Q_{\alpha }=T_{\alpha }+T_{D}}$

El tamaño de T depende de la relación de masas de los productos y debido a la conservación del momento (el momento del padre = 0 en el momento de la desintegración), esto se puede calcular:

${\displaystyle p_{\alpha }+p_{D}=0}$

${\displaystyle T=0.5mv^{2}}$y , ${\displaystyle p=mv}$ ${\displaystyle \therefore p={\sqrt {2mT}}}$

${\textstyle {\begin{aligned}{\sqrt {2m_{\alpha }T_{\alpha }}}&=-{\sqrt {2m_{D}T_{D}}}\\[4pt]2m_{\alpha }T_{\alpha }&=2m_{D}T_{D}\\[4pt]{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }&=T_{D}\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\alpha }&=T_{\alpha }+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}1+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}}{m_{D}}}+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}+m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]\end{aligned}}}$

${\displaystyle \therefore T_{\alpha }={\frac {m_{D}}{m_{P}}}Q_{\alpha }}$

La partícula alfa, o núcleo de ⁴ He, es una partícula con un enlace especialmente fuerte. Esto, combinado con el hecho de que la energía de enlace por nucleón tiene un valor máximo cerca de A=56 y disminuye sistemáticamente para núcleos más pesados, crea la situación de que los núcleos con A>150 tienen valores Q _α positivos para la emisión de partículas alfa.

Por ejemplo, uno de los isótopos naturales más pesados ​​(sin tener en cuenta las cargas): ${\displaystyle {\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}}$

Q _α = -931,5 (234,043 601 + 4,002 603 254 13 - 238,050 788 2) = 4,2699 MeV ^[4]

Téngase en cuenta que la energía de desintegración se dividirá entre la partícula alfa y la hija que retrocede pesadamente, de modo que la energía cinética de la partícula alfa (T _α ) será ligeramente menor:

T _α = (234.043 601 / 238.050 788 2) 4.2699 = 4.198 MeV, (note que esto es para la reacción ^{de 238g} U a ^{234g Th, que en este caso tiene una} relación de ramificación del 79%). La energía cinética del núcleo hijo de ²³⁴ Th en retroceso es T _D = (m _α / m _P ) Q _α = (4.002 603 254 13 / 238.050 788 2) 4.2699 = 0.0718 MeV o 71.8 keV, que aunque mucho más pequeño es aún sustancialmente más grande que el de los enlaces químicos (<10 eV), lo que significa que el nucleido hijo se separará de cualquier entorno químico en el que haya estado el padre.

Ejemplo de cómo la energía de la partícula alfa detectada disminuye al aumentar la presión del aire (de derecha a izquierda).

La energía de retroceso también es la razón por la que los espectrómetros alfa, aunque funcionan bajo presión reducida, no funcionan a una presión demasiado baja, de modo que el aire ayuda a impedir que la hija que retrocede se mueva completamente fuera de la fuente alfa original y cause serios problemas de contaminación si las hijas son en sí mismas radiactivas. ^[5]

Los valores de Qα generalmente aumentan con el aumento del número atómico, pero la variación en la superficie de masa debido a los efectos de la capa puede superar el aumento sistemático. Los picos pronunciados cerca de A = 214 se deben a los efectos de la capa N = 126.

Referencias

1. Siegel, Peter (29 de marzo de 2021). "Desintegraciones nucleares" (PDF) . Departamento de Física de Cal Poly Pomona . Archivado (PDF) desde el original el 13 de abril de 2018.
2. Vajda, Nora; Martin, Paul; Kim, Chang-Kyu (2012), "Espectrometría alfa", Manual de análisis de radiactividad , Elsevier, págs. 380-381, doi :10.1016/b978-0-12-384873-4.00006-2, ISBN 978-0-12-384873-4, consultado el 29 de marzo de 2021
3. Choppin, Gregory R. (2002). Radioquímica y química nuclear. Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg (3.ª ed.). Woburn, MA: Butterworth-Heinemann. pág. 62. ISBN 978-0-08-051566-3.OCLC 182729523  .
4. "Livechart – Tabla de nucleidos – Datos de desintegración y estructura nuclear". nds.iaea.org . Consultado el 31 de marzo de 2021 .
5. Sill, Claude W.; Olson, Dale G. (1 de noviembre de 1970). "Fuentes y prevención de la contaminación por retroceso de los detectores alfa de estado sólido". Química analítica . 42 (13): 1596–1607. doi :10.1021/ac60295a016. ISSN  0003-2700.