 Decaimiento alfa | |
| Composición | 2 protones, 2 neutrones |
|---|---|
| Estadísticas | Bosónico |
| Símbolo | α, α 2+ , He 2+ |
| Masa | 6.644 657 230 (82) × 10 -27 kg [1] 4.001 506 179 127 (63) u |
| Carga eléctrica | +2 e |
| Girar | 0 [2] |
Alpha partículas , también llamados rayos alfa o alfa radiación , consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a una de helio-4 núcleo . Generalmente se producen en el proceso de desintegración alfa , pero también se pueden producir de otras formas. Las partículas alfa reciben el nombre de la primera letra del alfabeto griego , α . El símbolo de la partícula alfa es α o α 2+ . Debido a que son idénticos a los núcleos de helio, a veces también se escriben como He2+
o 4
2Él2+
indicando un ion de helio con una carga de +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 giro neto de cero. Debido al mecanismo de su producción 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 . (Consulte la discusión a continuación para conocer los límites de estas cifras en la desintegración alfa). Son una forma de radiación de partículas altamente ionizante y (cuando son resultado de la desintegración alfa radiactiva ) generalmente tienen una profundidad de penetración baja (detenida por unos pocos centímetros de aire o la piel ).
Sin embargo, las llamadas partículas alfa de largo alcance de la fisión ternaria son tres veces más energéticas y penetran tres veces más. Los núcleos de helio que forman el 10-12% de los rayos cósmicos también suelen tener una energía mucho más alta que los producidos por los procesos de desintegración nuclear y, por lo tanto, pueden ser muy penetrantes y capaces de atravesar el cuerpo humano y también muchos metros de blindaje sólido denso, según en su energía. En menor medida, esto también se aplica a los núcleos de helio de muy alta energía producidos por aceleradores de partículas.
Nombre [ editar ]
Algunos autores científicos utilizan núcleos de helio doblemente ionizados ( He2+
) y partículas alfa como términos intercambiables. La nomenclatura no está bien definida, por lo que no todos los autores consideran que todos los núcleos de helio de alta velocidad sean partículas alfa. Al igual que con las partículas / rayos beta y gamma , el nombre utilizado para la partícula tiene algunas connotaciones leves sobre su proceso de producción y energía, pero estas no se aplican de manera rigurosa. [3] Por lo tanto, las partículas alfa pueden usarse libremente como un término cuando se hace referencia a las reacciones de los núcleos de helio estelar (por ejemplo, los procesos alfa ), e incluso cuando ocurren como componentes de los rayos cósmicos . Una versión de alfa de mayor energía que la producida en la desintegración alfa es un producto común de unaEl resultado de la fisión nuclear se llama fisión ternaria . Sin embargo, es menos probable que los núcleos de helio producidos por aceleradores de partículas ( ciclotrones , sincrotrones y similares) se denominen "partículas alfa".
Fuentes de partículas alfa [ editar ]
Decaimiento alfa [ editar ]
La fuente más conocida de partículas alfa es la desintegración alfa de átomos más pesados (> 106 u de peso atómico). Cuando un átomo emite una partícula alfa en desintegración alfa, el número de masa del átomo disminuye en cuatro debido a la pérdida de los cuatro nucleones en 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 comúnmente emitidas por todos los núcleos radiactivos más grandes, como uranio , torio , actinio y 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 soportarlo. Los núcleos más pequeños que hasta la fecha se han encontrado capaces de emitir alfa son el berilio-8 y los nucleidos más ligeros de telurio (elemento 52), con números de masa entre 104 y 109. La desintegración alfa a veces deja el núcleo en un estado excitado; la emisión de un rayo gamma luego elimina el excesoenergía .
Mecanismo de producción en desintegración alfa [ editar ]
En contraste con 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 [2] 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 potencial. de la fuerza fuerte dentro del núcleo (este pozo implica escapar de la fuerza fuerte para subir por un lado del pozo, que es seguida por la fuerza electromagnética que causa un empuje repulsivo hacia abajo por el otro lado).
Sin embargo, el efecto de túnel cuántico permite que los alfas escapen aunque no tengan suficiente energía para vencer la fuerza nuclear . Esto lo permite 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 completamente la atracción de la fuerza nuclear. Desde este punto, las partículas alfa pueden escapar.
Fisión ternaria [ editar ]
Partículas alfa especialmente energéticas que se derivan de un proceso nuclear se producen en el proceso de fisión nuclear relativamente raro (uno en unos pocos cientos) de la fisión ternaria . En este proceso, se producen tres partículas cargadas a partir del evento en lugar de las dos normales, siendo la más pequeña de las partículas cargadas muy probablemente (90% de probabilidad) una partícula alfa. Estas partículas alfa se denominan "alfas de largo alcance", ya que a su energía típica de 16 MeV, tienen una energía mucho más alta que la producida 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 cuando los actínidos fisionables y fisionables los nucleidos (es decir, átomos pesados capaces de fisión) sufren 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 alfa de largo alcance de mayor energía que los de la desintegración alfa.
Aceleradores [ editar ]
Los ciclotrones , sincrotrones y otros aceleradores de partículas pueden producir núcleos energéticos de helio (iones de helio) . La convención es que normalmente no se les llama "partículas alfa".
Reacciones del núcleo solar [ editar ]
Como se señaló, los núcleos de helio pueden participar en reacciones nucleares en las estrellas, y ocasionalmente e históricamente se las ha denominado reacciones alfa (véase, por ejemplo, el proceso triple alfa ).
Rayos cósmicos [ editar ]
Además, los núcleos de helio de energía extremadamente alta a veces denominados partículas alfa constituyen aproximadamente del 10 al 12% de los rayos cósmicos . Los mecanismos de producción de rayos cósmicos continúan debatiéndose.
Energía y absorción [ editar ]
La energía de la partícula alfa emitida en la desintegración alfa depende levemente de la vida media del proceso de emisión, con diferencias de muchos órdenes de magnitud en la vida media asociadas con cambios de energía de menos del 50%, mostrado por el Geiger-Nuttall ley .
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 (megaelectrones-voltios), lo que corresponde a vidas medias extremadamente largas y extremadamente cortas de nucleidos emisores de alfa, respectivamente. Las energías y las relaciones son a menudo 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, que es el 5% de la velocidad de la luz. Esta energía es una cantidad sustancial de energía para una sola partícula, pero su alta masa significa que las partículas alfa tienen una velocidad más baja que cualquier otro tipo común de radiación, por ejemplo , partículas β , neutrones . [5]
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 absorbidos por papel tisú o por las capas externas de la piel humana. Por lo general, penetran en la piel alrededor de 40 micrómetros , lo que equivale a unas pocas células de profundidad.
Efectos biológicos [ editar ]
Debido al corto rango de absorción y la incapacidad para penetrar las capas externas de la piel, las partículas alfa no son, en general, peligrosas para la vida a menos que la fuente se ingiera o inhale. [6] 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 el ionizante más fuerte y con dosis suficientemente grandes puede causar cualquiera o todos los síntomas de intoxicación por radiación . Se estima que el cromosomael daño de las partículas alfa es de 10 a 1000 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 eficacia biológica relativa es de 20, el potencial carcinogénico (en términos de cáncer de pulmón) de la radiación alfa parece coincidir con el informado para las dosis de La radiación gamma externa, es decir, una dosis determinada de partículas alfa inhaladas, presenta el mismo riesgo que una dosis 20 veces mayor de radiación gamma. [7] El poderoso emisor alfa polonio 210 (un miligramo de 210 Po emite tantas partículas alfa por segundo como 4.215 gramos de 226Se sospecha que Ra ) desempeña un papel en el cáncer de pulmón y el cáncer de vejiga relacionados con el tabaquismo . [8] Se utilizó 210 Po para matar al disidente ruso y ex oficial del FSB Alexander V. Litvinenko en 2006. [9]
Cuando se ingieren isótopos emisores de partículas alfa , son mucho más peligrosos de lo que sugeriría su vida media o tasa de descomposición, debido a la alta efectividad biológica relativa de la radiación alfa para causar daño biológico. La radiación alfa es en promedio unas 20 veces más peligrosa y, en experimentos con emisores alfa inhalados, hasta 1000 veces más peligrosa [10] que una actividad equivalente de radioisótopos emisores beta o emisores gamma .
Historia de descubrimiento y uso [ editar ]
En 1899, los físicos Ernest Rutherford (que trabajaba en la Universidad McGill en Montreal, Canadá) y Paul Villard (que trabajaba en París) separaron la radiación en tres tipos: eventualmente denominados alfa, beta y gamma por Rutherford, basados en la penetración de objetos y la desviación por un campo magnético. [11] Los rayos alfa fueron definidos por Rutherford como aquellos que tienen la penetración más baja de los objetos ordinarios.
El trabajo de Rutherford también incluyó mediciones de la relación entre la masa de una partícula alfa y su carga, lo que lo llevó a la hipótesis de que las partículas alfa eran iones de helio doblemente cargados (más tarde se demostró que eran núcleos de helio desnudos). [12] En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds finalmente demostraron que las partículas alfa eran de hecho iones de helio. [13] Para hacer esto, permitieron que las partículas alfa penetraran una pared de vidrio muy delgada de un tubo de vacío, capturando así una gran cantidad de iones de helio hipotéticos dentro del tubo. Luego provocaron una chispa eléctricadentro del tubo. El estudio posterior de los espectros del gas resultante mostró que era helio y que las partículas alfa eran de hecho los iones de helio hipotéticos.
Debido a que las partículas alfa ocurren naturalmente, 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 utiliza alfa partículas emitidas por bromuro de radio para inferir que JJ Thomson 's del ciruelo modelo pudín del átomo era defectuoso fundamentalmente. 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 atraviesa una lámina de oro muy delgada (unos pocos cientos de átomos de espesor). Las partículas alfa fueron detectadas por un sulfuro de zinc.pantalla, que emite un destello de luz sobre una colisión de partículas alfa. Rutherford planteó la hipótesis de que, suponiendo que el modelo de " pudín de ciruela " del átomo fuera correcto, las partículas alfa cargadas positivamente serían desviadas sólo ligeramente, si es que lo harían, por la carga positiva dispersa predicha.
Se descubrió que algunas de las partículas alfa se desviaron en ángulos mucho más grandes de lo esperado (por sugerencia de Rutherford para verificarlo) y algunas incluso rebotaron casi directamente. Aunque la mayoría de las partículas alfa pasaron directamente como se esperaba, Rutherford comentó que las pocas partículas que fueron desviadas fueron similares a disparar una cáscara de quince pulgadas contra un pañuelo de papel solo para que rebotara, asumiendo nuevamente que la teoría del "pudín de ciruela" era correcta. . Se determinó que la carga positiva del átomo estaba concentrada en un área pequeña en su centro, haciendo que la carga positiva fuera lo suficientemente densa como para desviar cualquier partícula alfa con carga positiva que se acercara a lo que luego se denominó núcleo.
Antes de este descubrimiento, no se sabía que las partículas alfa fueran en sí mismas núcleos atómicos, ni se conocía la existencia de protones o neutrones. Después de este descubrimiento, el modelo de "pudín de ciruela" de JJ Thomson fue abandonado y el experimento de Rutherford condujo al modelo de Bohr y más tarde al modelo moderno de ondas mecánicas del átomo.
En 1917, Rutherford pasó a utilizar partículas alfa para producir accidentalmente lo que luego entendió como una transmutación nuclear dirigida de un elemento a otro. La transmutación de elementos de uno a otro se entendía desde 1901 como resultado de la desintegración radiactiva natural , pero cuando Rutherford proyectó partículas alfa de la desintegración alfa en el aire, descubrió que esto producía un nuevo tipo de radiación que resultó ser núcleos de hidrógeno (Rutherford llamado estos protones ). La experimentación adicional mostró 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.
- 14 N + α → 17 O + p
Esta fue la primera reacción nuclear descubierta .
A las imágenes adyacentes: De acuerdo con la curva de pérdida de energía de Bragg, es reconocible que la partícula alfa de hecho pierde más energía al final de la traza. [14]
Partícula anti-alfa [ editar ]
En 2011, los miembros de la comunidad internacional colaboración ESTRELLA utilizando el Relativista de Iones Pesados en el Departamento de Energía de EE.UU. 's Laboratorio Nacional de Brookhaven detectaron la antimateria socio del núcleo de helio, también conocido como el anti-alfa. [15] El experimento utilizó iones de oro que se movían casi a la velocidad de la luz y colisionaban para producir la antipartícula. [dieciséis]
Aplicaciones [ editar ]
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- Algunos detectores de humo contienen una pequeña cantidad del emisor alfa americio-241 . 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 ingresan al espacio de aire reducen el flujo de corriente y hacen sonar la alarma. El isótopo es extremadamente peligroso si se inhala o ingiere, pero el peligro es mínimo si la fuente se mantiene sellada. Muchos municipios han establecido programas para recolectar y desechar detectores de humo viejos, para mantenerlos fuera del flujo general de desechos.
- La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados para sondas espaciales y marcapasos cardíacos artificiales . La desintegración alfa se protege mucho más fácilmente 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 contra la radiación no deseada.
- Los eliminadores de estática suelen utilizar polonio 210 , un emisor alfa, para ionizar el aire, lo que permite que la " adherencia estática " se disipe más rápidamente.
- Actualmente, los investigadores están tratando de utilizar la naturaleza dañina de los radionucleidos emisores alfa dentro del cuerpo dirigiendo pequeñas cantidades hacia un tumor . Los alfas dañan el tumor y detienen su crecimiento, mientras que su pequeña profundidad de penetración previene el daño por radiación del tejido sano circundante. Este tipo de terapia contra el cáncer se denomina radioterapia de fuente abierta .
Errores de DRAM y radiación alfa [ editar ]
En tecnología informática, los " errores de software " de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) se vincularon a partículas alfa en 1978 en los chips DRAM de Intel . El descubrimiento condujo a un control estricto de los elementos radiactivos en el embalaje de materiales semiconductores y, en gran medida, se considera que el problema está resuelto. [17]
Ver también [ editar ]
- Nucleido alfa
- Partícula beta
- Rayos cósmicos
- Helión , el núcleo del helio-3 en lugar del helio-4
- Lista de materiales emisores alfa
- Dispersión de Rutherford
- Física nuclear
- Partículas fisicas
- Isótopo radiactivo
- Rayos:
- rayos β (beta)
- Rayos gamma γ
- δ rayo delta
- ε Radiación Epsilon
Referencias [ editar ]
- ^ "Valor CODATA: masa de partículas alfa" . NIST . Consultado el 15 de septiembre de 2011 .
- ↑ a b Krane, Kenneth S. (1988). Introducción a la física nuclear . John Wiley e hijos . págs. 246–269. ISBN 978-0-471-80553-3.
- ^ Cariño, David. "Partícula alfa" . Enciclopedia de la ciencia . Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2010 . Consultado el 7 de diciembre de 2010 .
- ^ Firestone, Richard B. (1999). Tabla de isótopos . Coral M. Baglin (8ª ed., Actualización de 1999 con CD-ROM ed.). Nueva York: Wiley. ISBN 0-471-35633-6. OCLC 43118182 .
- ^ NB Dado que los rayos gamma son electromagnéticos ( luz ), se mueven a la velocidad de la luz ( c ). Las partículas beta a menudo se mueven a una gran fracción de c , y superan el 60% c siempre que su energía es> 64 keV, lo que suele ser. La velocidad de los neutrones de las reacciones nucleares varía desde aproximadamente el 6% c para la fisión hasta un 17% c para la fusión.
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Lectura adicional [ editar ]
- Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4ª ed.). WH Freeman . ISBN 978-0-7167-4345-3.
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la partícula alfa . |
