Partícula alfa

Partícula de radiación ionizante de dos protones y dos neutrones.

Las partículas alfa , también llamadas rayos alfa o radiación alfa , consisten en dos protones y dos neutrones unidos entre sí para formar una partícula idéntica a un núcleo de helio-4 . ^[5] Generalmente se producen en el proceso de desintegración alfa , pero también pueden producirse de otras maneras. Las partículas alfa reciben su nombre de la primera letra del alfabeto griego , α . El símbolo de la partícula alfa es α o α ²⁺ . Debido a que son idénticas a los núcleos de helio, a veces también se escriben como He ²⁺ o⁴
₂He ²⁺ indica un ion de helio con una carga +2 (faltan sus dos electrones ). Una vez que el ion obtiene electrones de su entorno, la partícula alfa se convierte en un átomo de helio normal (eléctricamente neutro).⁴
₂Él .

Las partículas alfa tienen un espín neto de cero. Cuando se producen en la desintegración radiactiva alfa estándar , las partículas alfa generalmente tienen una energía cinética de aproximadamente 5  MeV y una velocidad cercana al 4% de la velocidad de la luz . Son una forma de radiación de partículas altamente ionizante , con baja profundidad de penetración (se detiene con unos pocos centímetros de aire o con la piel ).

Sin embargo, las partículas alfa de largo alcance, que se forman por fisión ternaria, tienen una energía tres veces mayor y penetran tres veces más lejos. Los núcleos de helio que forman entre el 10 y el 12 % de los rayos cósmicos también suelen tener una energía mucho mayor que los que se generan por procesos de desintegración nuclear, por lo que pueden ser muy penetrantes y atravesar el cuerpo humano y también muchos metros de blindaje sólido denso, según su energía. En menor medida, esto también es cierto para los núcleos de helio de muy alta energía producidos por aceleradores de partículas.

Nombre

El término "partícula alfa" fue acuñado por Ernest Rutherford al informar sobre sus estudios de las propiedades de la radiación del uranio. ^[6] La radiación parecía tener dos características diferentes, la primera que llamó " radiación" y la más penetrante que llamó " radiación". Después de cinco años de trabajo experimental adicional, Rutherford y Hans Geiger determinaron que "la partícula alfa, después de haber perdido su carga positiva, es un átomo de helio". ^{[7] [8] [9] : 61} La radiación alfa consiste en partículas equivalentes a núcleos de helio doblemente ionizados (He ²⁺ ) que pueden ganar electrones al pasar a través de la materia. Este mecanismo es el origen del gas helio terrestre. ^[10] ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$

Fuentes

Desintegración alfa

Un físico observa partículas alfa de la desintegración de una fuente de polonio en una cámara de nubes.

Radiación alfa detectada en una cámara de niebla de isopropanol (tras la inyección de una fuente artificial de radón-220)

La fuente más conocida de partículas alfa es la desintegración alfa de átomos más pesados ​​(con un número de masa de al menos 104). Cuando un átomo emite una partícula alfa en la desintegración alfa, el número de masa del átomo disminuye en cuatro debido a la pérdida de los cuatro nucleones de la partícula alfa. El número atómico del átomo se reduce en dos, como resultado de la pérdida de dos protones: el átomo se convierte en un nuevo elemento. Ejemplos de este tipo de transmutación nuclear por desintegración alfa son la desintegración del uranio en torio y la del radio en radón .

Las partículas alfa son emitidas comúnmente por todos los núcleos radiactivos más grandes, como el uranio , el torio , el actinio y el radio , así como por los elementos transuránicos . A diferencia de otros tipos de desintegración, la desintegración alfa como proceso debe tener un núcleo atómico de tamaño mínimo que pueda soportarla. Los núcleos más pequeños que se han encontrado hasta la fecha capaces de emitir partículas alfa son el berilio-8 y el telurio-104 , sin contar la emisión alfa retardada por beta de algunos elementos más ligeros. La desintegración alfa a veces deja al núcleo original en un estado excitado; la emisión de un rayo gamma elimina entonces el exceso de energía .

Mecanismo de producción en la desintegración alfa

A diferencia de la desintegración beta , las interacciones fundamentales responsables de la desintegración alfa son un equilibrio entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear . La desintegración alfa resulta de la repulsión de Coulomb ^[4] entre la partícula alfa y el resto del núcleo, que tienen una carga eléctrica positiva , pero que se mantiene bajo control por la fuerza nuclear . En la física clásica , las partículas alfa no tienen suficiente energía para escapar del pozo de potencial de la fuerza fuerte dentro del núcleo (este pozo implica escapar de la fuerza fuerte para subir por un lado del pozo, lo que es seguido por la fuerza electromagnética que causa un empuje repulsivo hacia abajo por el otro lado).

Sin embargo, el efecto túnel cuántico permite que las partículas alfa escapen aunque no tengan suficiente energía para superar la fuerza nuclear . Esto es posible gracias a la naturaleza ondulatoria de la materia, que permite que la partícula alfa pase parte de su tiempo en una región tan alejada del núcleo que el potencial de la fuerza electromagnética repulsiva ha compensado por completo la atracción de la fuerza nuclear. A partir de este punto, las partículas alfa pueden escapar.

Fisión ternaria

Las partículas alfa especialmente energéticas derivadas de un proceso nuclear se producen en el relativamente raro (uno en unos pocos cientos) proceso de fisión nuclear de fisión ternaria . En este proceso, se producen tres partículas cargadas a partir del evento en lugar de las dos normales, y la más pequeña de las partículas cargadas es, con mayor probabilidad (90% de probabilidad), una partícula alfa. Estas partículas alfa se denominan "alfas de largo alcance" ya que, con su energía típica de 16 MeV, tienen una energía mucho mayor que la que se produce jamás por la desintegración alfa. La fisión ternaria ocurre tanto en la fisión inducida por neutrones (la reacción nuclear que ocurre en un reactor nuclear) como también cuando los nucleidos actínidos fisionables y fisionables (es decir, átomos pesados ​​capaces de fisión) experimentan una fisión espontánea como una forma de desintegración radiactiva. Tanto en la fisión inducida como en la espontánea, las energías más altas disponibles en los núcleos pesados ​​dan como resultado alfas de largo alcance de mayor energía que las de la desintegración alfa.

Aceleradores

Los ciclotrones , sincrotrones y otros aceleradores de partículas pueden producir núcleos de helio energéticos (iones de helio) . Por convención, no se los suele denominar "partículas alfa". ^{[ cita requerida ]}

Reacciones del núcleo solar

Los núcleos de helio pueden participar en reacciones nucleares en las estrellas y, ocasionalmente e históricamente, se las ha denominado reacciones alfa (véase proceso triple alfa y proceso alfa ).

Rayos cósmicos

Además, los núcleos de helio de energía extremadamente alta, a veces denominados partículas alfa, constituyen entre el 10 y el 12 % de los rayos cósmicos . Los mecanismos de producción de los rayos cósmicos siguen siendo motivo de debate.

Energía y absorción

Ejemplo de selección de nucleidos radiactivos con las principales energías de las partículas alfa emitidas representadas gráficamente en función de su número atómico. ^[11] Cada nucleido tiene un espectro alfa distinto .

La energía de la partícula alfa emitida en la desintegración alfa depende levemente de la vida media del proceso de emisión, y muchas diferencias de órdenes de magnitud en la vida media se asocian con cambios de energía de menos del 50%, como lo demuestra la ley de Geiger-Nuttall .

La energía de las partículas alfa emitidas varía, y las partículas alfa de mayor energía se emiten desde núcleos más grandes, pero la mayoría de las partículas alfa tienen energías de entre 3 y 7  MeV (megaelectronvoltios), que corresponden a vidas medias extremadamente largas y extremadamente cortas de los nucleidos emisores de partículas alfa, respectivamente. Las energías y las proporciones suelen ser distintas y se pueden utilizar para identificar nucleidos específicos, como en la espectrometría alfa .

Con una energía cinética típica de 5 MeV, la velocidad de las partículas alfa emitidas es de 15.000 km/s, lo que supone el 5% de la velocidad de la luz. Esta energía es una cantidad considerable para una sola partícula, pero su elevada masa significa que las partículas alfa tienen una velocidad menor que cualquier otro tipo común de radiación, por ejemplo, las partículas β o los neutrones . ^[12]

Debido a su carga y gran masa, las partículas alfa son fácilmente absorbidas por los materiales y pueden viajar solo unos pocos centímetros en el aire. Pueden ser absorbidas por el papel tisú o por las capas externas de la piel humana. Por lo general, penetran la piel unos 40  micrómetros , el equivalente a unas pocas células de profundidad.

Efectos biológicos

Debido al corto rango de absorción y la incapacidad de penetrar las capas externas de la piel, las partículas alfa no son, en general, peligrosas para la vida a menos que la fuente sea ingerida o inhalada. ^[13] Debido a esta alta masa y fuerte absorción, si los radionucleidos emisores alfa ingresan al cuerpo (al ser inhalados, ingeridos o inyectados, como con el uso de Thorotrast para imágenes de rayos X de alta calidad antes de la década de 1950), la radiación alfa es la forma más destructiva de radiación ionizante . Es la más fuertemente ionizante y con dosis suficientemente grandes puede causar cualquiera o todos los síntomas de envenenamiento por radiación . Se estima que el daño cromosómico de las partículas alfa es de 10 a 1000 ^[14] veces mayor que el causado por una cantidad equivalente de radiación gamma o beta, con un promedio establecido en 20 veces. Un estudio de trabajadores nucleares europeos expuestos internamente a la radiación alfa del plutonio y el uranio encontró que cuando se considera que la efectividad biológica relativa es 20, el potencial carcinogénico (en términos de cáncer de pulmón) de la radiación alfa parece ser consistente con el informado para dosis de radiación gamma externa, es decir, una dosis dada de partículas alfa inhaladas presenta el mismo riesgo que una dosis 20 veces mayor de radiación gamma. ^[15] Se sospecha que el poderoso emisor alfa polonio-210 (un miligramo de ²¹⁰ Po emite tantas partículas alfa por segundo como 4,215 gramos de ²²⁶ Ra ) desempeña un papel en el cáncer de pulmón y el cáncer de vejiga relacionados con el tabaquismo . ^{[16] El 210} Po se utilizó para matar al disidente ruso y ex oficial del FSB Alexander V. Litvinenko en 2006. ^[17]

Historia del descubrimiento y uso

En 1896, Henri Becquerel descubrió que el uranio emite una radiación invisible que puede dejar marcas en las placas fotográficas. Marie Curie denominó este fenómeno "radiactividad". Ernest Rutherford y JJ Thomson estudiaron la radiación del uranio y descubrieron que podía crear partículas cargadas eléctricamente en el gas (esto es lo que ahora llamamos "radiación ionizante"). En 1898, Rutherford descubrió que la radiación del uranio es una mezcla de varios tipos de radiación. Realizó un experimento que involucraba dos electrodos separados por una pequeña cantidad de aire. Colocó un poco de uranio en el electrodo inferior y la radiación del uranio ionizó el aire entre los electrodos, creando una corriente. Luego, Rutherford colocó una lámina de aluminio sobre el uranio y notó que la corriente disminuía un poco, lo que indicaba que la lámina estaba absorbiendo parte de la radiación del uranio. Rutherford colocó algunas láminas más sobre el uranio y descubrió que, en las primeras cuatro láminas, la corriente disminuía de manera constante a una tasa geométrica. Sin embargo, después de la cuarta capa de lámina sobre el uranio, la corriente no descendió mucho y se mantuvo más o menos igual durante doce capas de lámina (cada lámina tenía un espesor de aproximadamente 5 micrómetros). Este resultado indicó que la radiación del uranio tiene dos componentes. Rutherford denominó a un componente "radiación alfa", que fue absorbida completamente por sólo unas pocas capas de lámina, y lo que quedó fue un segundo componente que podía penetrar las láminas con mayor facilidad, y lo denominó "radiación beta". ^[18]

En 1900, Marie Curie se dio cuenta de que el coeficiente de absorción de los rayos alfa parecía aumentar cuanto más gruesa era la barrera que colocaba en su camino. Esto sugirió que la radiación alfa no es una forma de luz, sino que está formada por partículas que pierden energía cinética al atravesar las barreras. En 1902, Rutherford descubrió que podía desviar los rayos alfa con un campo magnético y un campo eléctrico, lo que demostró que la radiación alfa está compuesta de partículas con carga positiva. ^{[19] [20]}

El trabajo de Rutherford también incluía mediciones de la relación entre la masa de una partícula alfa y su carga, lo que le llevó a la hipótesis de que las partículas alfa eran iones de helio doblemente cargados (que más tarde se demostró que eran núcleos de helio desnudos). ^[21] En 1909, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron finalmente que las partículas alfa eran de hecho iones de helio. ^[22] Para ello, recogieron y purificaron el gas emitido por el radio, un conocido emisor de partículas alfa, en un tubo de vidrio. Una descarga de chispa eléctrica dentro del tubo produjo luz. El estudio posterior de los espectros de esta luz mostró que el gas era helio y, por tanto, las partículas alfa eran de hecho iones de helio. ^{[9] : 61}

Debido a que las partículas alfa se producen de forma natural, pero pueden tener una energía lo suficientemente alta como para participar en una reacción nuclear , su estudio condujo a un conocimiento temprano de la física nuclear . Rutherford utilizó partículas alfa emitidas por el bromuro de radio para inferir que el modelo de budín de pasas del átomo de JJ Thomson era fundamentalmente defectuoso. En el experimento de la lámina de oro de Rutherford realizado por sus estudiantes Hans Geiger y Ernest Marsden , se estableció un haz estrecho de partículas alfa, que pasaba a través de una lámina de oro muy delgada (de unos pocos cientos de átomos de espesor). Las partículas alfa se detectaron mediante una pantalla de sulfuro de cinc , que emite un destello de luz tras la colisión de una partícula alfa. Rutherford planteó la hipótesis de que, suponiendo que el modelo de " budín de pasas " del átomo fuera correcto, las partículas alfa cargadas positivamente solo se desviarían ligeramente, si es que lo hicieran, por la carga positiva dispersa predicha.

Se descubrió que algunas de las partículas alfa se desviaban en ángulos mucho mayores de lo esperado (por sugerencia de Rutherford para comprobarlo) y algunas incluso rebotaban casi directamente. Aunque la mayoría de las partículas alfa atravesaron el átomo como se esperaba, Rutherford comentó que las pocas partículas que se desviaron eran similares a disparar una granada de quince pulgadas a un papel de seda y que rebotara, asumiendo nuevamente que la teoría del "pudín de pasas" era correcta. Se determinó que la carga positiva del átomo estaba concentrada en una pequeña área en su centro, lo que hacía que la carga positiva fuera lo suficientemente densa como para desviar cualquier partícula alfa con carga positiva que se acercara a lo que más tarde se denominó núcleo.

Antes de este descubrimiento, no se sabía que las partículas alfa fueran núcleos atómicos, ni tampoco se conocía la existencia de protones o neutrones. Después de este descubrimiento, se abandonó el modelo del "pudín de pasas" de J. J. Thomson y el experimento de Rutherford dio lugar al modelo de Bohr y, más tarde, al moderno modelo ondulatorio-mecánico del átomo.

Pérdida de energía ( curva de Bragg ) en el aire para una partícula alfa típica emitida por desintegración radiactiva.

El rastro de una sola partícula alfa obtenido por el físico nuclear Wolfhart Willimczik con su cámara de chispa especialmente diseñada para partículas alfa.

En 1917, Rutherford utilizó partículas alfa para producir accidentalmente lo que más tarde entendió como una transmutación nuclear dirigida de un elemento a otro. La transmutación de elementos de uno a otro se había entendido desde 1901 como resultado de la desintegración radiactiva natural , pero cuando Rutherford proyectó partículas alfa de la desintegración alfa al aire, descubrió que esto producía un nuevo tipo de radiación que resultó ser núcleos de hidrógeno (Rutherford los llamó protones ). Experimentos posteriores demostraron que los protones provenían del componente nitrógeno del aire, y se dedujo que la reacción era una transmutación de nitrógeno en oxígeno en la reacción

^14N +α → ^17O + p

Esta fue la primera reacción nuclear descubierta .

En las imágenes adyacentes: según la curva de pérdida de energía de Bragg, se puede ver que la partícula alfa pierde efectivamente más energía en el extremo de la traza. ^[23]

Partícula anti-alfa

En 2011, los miembros de la colaboración internacional STAR , que utilizaban el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU., detectaron el compañero de antimateria del núcleo de helio, también conocido como anti-alfa. ^[24] El experimento utilizó iones de oro que se movían casi a la velocidad de la luz y que chocaban de frente para producir la antipartícula. ^[25]

Aplicaciones

Dispositivos

• Algunos detectores de humo contienen una pequeña cantidad de americio-241, un emisor alfa . ^[26] Las partículas alfa ionizan el aire dentro de un pequeño espacio. Una pequeña corriente pasa a través de ese aire ionizado. Las partículas de humo del fuego que entran en el espacio de aire reducen el flujo de corriente, lo que hace sonar la alarma. El isótopo es extremadamente peligroso si se inhala o se ingiere, pero el peligro es mínimo si la fuente se mantiene sellada. Muchos municipios han establecido programas para recoger y desechar los detectores de humo viejos, para mantenerlos fuera del flujo general de residuos. Sin embargo, la EPA de EE. UU. dice que "pueden desecharse con la basura doméstica". ^[26]
• La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos ^[27] utilizados en las sondas espaciales . La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva. El plutonio-238 , una fuente de partículas alfa, requiere solo 2,5 mm de blindaje de plomo para protegerse de la radiación no deseada.
• Los eliminadores estáticos generalmente utilizan polonio-210 , un emisor alfa, para ionizar el aire, lo que permite que la " atracción estática " se disipe más rápidamente. ^{[28] [29]}

Tratamiento del cáncer

En la actualidad, los radionucleidos emisores de radiaciones alfa se utilizan de tres maneras diferentes para erradicar tumores cancerosos: como tratamiento radiactivo infusible dirigido a tejidos específicos (radio-223), como fuente de radiación insertada directamente en tumores sólidos (radio-224) y como un accesorio para una molécula dirigida al tumor, como un anticuerpo contra un antígeno asociado al tumor.

El radio-223 es un emisor alfa que se siente naturalmente atraído por el hueso porque es un mimético del calcio . El radio-223 (como dicloruro de radio-223) se puede infundir en las venas de un paciente con cáncer, después de lo cual migra a partes del hueso donde hay una rápida renovación de células debido a la presencia de tumores metastásicos. Una vez dentro del hueso, el Ra-223 emite radiación alfa que puede destruir las células tumorales dentro de una distancia de 100 micrones. Este enfoque se ha utilizado desde 2013 para tratar el cáncer de próstata que ha hecho metástasis en el hueso. ^[30] Los radionúclidos infundidos en la circulación pueden llegar a sitios que son accesibles a los vasos sanguíneos. Esto significa, sin embargo, que el interior de un tumor grande que no está vascularizado (es decir, no es bien penetrado por los vasos sanguíneos) puede no ser erradicado de manera efectiva por la radiactividad.

El radio-224 es un átomo radiactivo que se utiliza como fuente de radiación alfa en un dispositivo de tratamiento del cáncer llamado DaRT ( radioterapia con emisores alfa difusores ). Cada átomo de radio-224 sufre un proceso de desintegración que produce 6 átomos hijos. Durante este proceso, se emiten 4 partículas alfa. El alcance de una partícula alfa (hasta 100 micrones) es insuficiente para cubrir el ancho de muchos tumores. Sin embargo, los átomos hijos del radio-224 pueden difundirse hasta 2-3 mm en el tejido, creando así una "región de muerte" con suficiente radiación para destruir potencialmente un tumor entero, si las semillas se colocan adecuadamente. ^[31] La vida media del radio-224 es lo suficientemente corta, 3,6 días, para producir un efecto clínico rápido y evitar el riesgo de daño por radiación debido a la sobreexposición. Al mismo tiempo, la vida media es lo suficientemente larga para permitir la manipulación y el envío de las semillas a un centro de tratamiento del cáncer en cualquier lugar del mundo.

La terapia alfa dirigida para tumores sólidos implica unir un radionúclido emisor de partículas alfa a una molécula dirigida al tumor, como un anticuerpo, que puede administrarse por vía intravenosa a un paciente con cáncer. ^[32]

Radiación alfa y errores de DRAM

En el campo de la tecnología informática, los errores de software de la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) se relacionaron con partículas alfa en 1978 en los chips DRAM de Intel . El descubrimiento condujo a un control estricto de los elementos radiactivos en el encapsulado de los materiales semiconductores y el problema se considera en gran medida resuelto. ^[33]

Véase también

• Nuclido alfa
• Proceso alfa (también conocido como captura alfa o escalera alfa)
• Partícula beta
• Rayos cósmicos
• Helio , el núcleo del helio-3 en lugar del helio-4
• Lista de materiales emisores de luz alfa
• Física nuclear
• Física de partículas
• Isótopo radiactivo
• Rayos:
  • rayos β (beta)
  • γ Rayo gamma
  • Rayo delta delta
  • Radiación ε Epsilon
• Dispersión de Rutherford

Referencias

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Lectura adicional

• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4.ª ed.). WH Freeman . ISBN 978-0-7167-4345-3.

Enlaces externos

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