Decaimento alfa - Alpha decay


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Uma representação visual de alfa decaimento

Alfa deterioração ou α-cárie é um tipo de decaimento radioactivo em que um núcleo atómico emite uma partícula alfa (núcleo de hélio) e, assim, transforma ou 'decai' para um núcleo atómico diferente, com um número de massa , que é reduzido em quatro e uma atómica número que é reduzido em dois. Uma partícula alfa é idêntico para o núcleo de uma hélio-4 átomo, que consiste em dois prots e dois neutrões . Ele tem uma carga de +2  e e uma massa de u . Por exemplo, urânio-238 decai para formar tório-234 . As partículas alfa tem uma carga de +2  e , mas como uma equação nuclear descreve uma reacção nuclear sem considerar os electrões - uma convenção que não implica necessariamente que os núcleos ocorrer em átomos neutros - a carga não é geralmente mostrado.

Alfa decaimento tipicamente ocorre nas nuclídeos mais pesados. Teoricamente, pode ocorrer apenas em núcleos um pouco mais pesados do que o níquel (elemento 28), em que o total de energia de ligação por nucleão não é mais um mínimo e os nuclídeos são portanto instáveis para os processos do tipo fissão espontânea. Na prática, este modo de decaimento foi apenas observada em nuclídeos consideravelmente mais pesadas do que o níquel, com os emissores alfa mais leve conhecido sendo os mais leves isótopos (números de massa 106-110) de telúrio (elemento 52). Excepcionalmente, no entanto, berílio-8 decai para duas partículas alfa.

Alfa decaimento é de longe a forma mais comum da deterioração do conjunto , onde o pai átomo ejecta um definida filha recolha de núcleos, deixando um outro produto definido atrás. Ele é a forma mais comum, devido à extremamente alta combinada de energia de ligao e relativamente pequena massa da partícula alfa. Como outros decaimentos de fragmentação, alfa decaimento é fundamentalmente um túnel quântico processo. Ao contrário do decaimento beta , que é regulada pela interacção entre ambos a força nuclear e a força electromagnética .

As partículas alfa tem uma energia cinética típica de 5 MeV (ou ≈ 0,13% da sua energia total, 110 TJ / kg) e tem uma velocidade de cerca de 15 milhões m / s, ou 5% da velocidade da luz . Há surpreendentemente pequena variação em torno desta energia, devido à forte dependência da meia-vida desse processo sobre a energia produzida (ver equações na lei Geiger-Nuttall ). Por causa da sua massa relativamente grande, carga eléctrica de e e velocidade relativamente baixa, partículas alfa são muito susceptíveis de interagir com outros átomos e perdem a sua energia, e o seu movimento para a frente pode ser interrompida por alguns centímetros de ar . Aproximadamente 99% do hélio produzido na Terra é o resultado da decomposição alfa de depósitos subterrâneos de minerais contendo urânio ou tório . O hélio é trazida para a superfície como um sub-produto de gás natural de produção.

História

As partículas alfa foram descritas pela primeira vez nas investigações de radioactividade por Ernest Rutherford em 1899, e por volta de 1907 que foram identificados como Ele 2+ iões.

Em 1928, George Gamow tinha resolvido a teoria do decaimento alfa via tunelamento. A partícula alfa é aprisionado num poço de potencial pelo núcleo. Classicamente, é proibida a escapar, mas de acordo com os princípios (em seguida) recém-descobertas de mecânica quântica , que tem uma pequena (mas diferente de zero) de probabilidade de " encapsulamento " através da barreira e que aparece no outro lado para escapar do núcleo . Gamow resolvido um potencial modelo para o núcleo e derivados, a partir de primeiros princípios, uma relação entre a meia-vida da decadência, e a energia da emissão, que tinha sido previamente descoberto empiricamente, e era conhecida como a lei Geiger-Nuttall .

Mecanismo

A força nuclear segurando um núcleo atômico em conjunto é muito forte, em geral, muito mais forte do que as repulsivas forças eletromagnéticas entre os prótons. No entanto, a força nuclear também é curto alcance, caindo rapidamente em força além de cerca de 1 Femtômetro , enquanto a força eletromagnética tem alcance ilimitado. A intensidade da força nuclear atraente mantendo um núcleo em conjunto é, assim, proporcional ao número de núcleos, mas a força eletromagnética perturbador total de tentar quebrar o núcleo separado é aproximadamente proporcional ao quadrado da seu número atômico. Um núcleo com 210 ou mais núcleos é tão grande que a força nuclear forte segurando-a em conjunto, podem apenas mal contrabalançar a repulsão electromagnética entre os protões que ele contém. Decaimento alfa ocorre em núcleos tais como um meio de aumentar a estabilidade através da redução de tamanho.

Uma curiosidade é por isso que as partículas alfa, um núcleo de hélio, deve ser, preferencialmente, emitida em oposição a outras partículas como um único protão ou de neutrões ou outros núcleos atómicos . Parte da resposta vem de conservação da simetria função de onda , o que impede uma partícula de ratos espontaneamente mudando de exibindo estatísticas Bose-Einstein (se ele tinha um número par de núcleos) a estatística de Fermi-Dirac (se ele tinha um número ímpar de núcleos) ou vice-versa. Emissão de prótons única, ou a emissão de qualquer partícula com um número ímpar de nucleons violam esta lei de conservação. O resto da resposta vem da muito alta energia de ligação da partícula alfa. Calculando a energia total desintegração dada pela equação:

Onde é a massa inicial do núcleo, é a massa do núcleo após a emissão de partículas, e é a massa da partícula emitida, mostra que a emissão de partículas alfa geralmente será possível apenas com energia a partir do próprio núcleo, enquanto que outros modos de decaimento vai necessitam de energia adicional. Por exemplo, realizar o cálculo para o urânio-232 mostra que a emissão de partículas alfa seria necessário apenas 5,4 MeV, enquanto um único emissão de protões exigiria 6,1 MeV. A maior parte desta energia de desintegração torna-se a energia cinética da própria partícula alfa, embora a manter a conservação do momento parte desta energia torna-se o recuo do próprio núcleo. No entanto, uma vez que os números de massa da maioria dos radioisótopos emissores alfa exceder 210, muito maior que o número de massa da partícula alfa (4) a parte da energia vai para o recuo do núcleo é geralmente muito pequeno.

Estas energias de desintegração são, no entanto, substancialmente mais pequena do que a barreira de potencial fornecida pela força nuclear, o que impede que a partícula alfa de escapar. A energia necessária é geralmente no intervalo de cerca de 25 MeV, a quantidade de trabalho que deve ser feito contra a repulsão eletromagnética para trazer uma partícula alfa do infinito até um ponto perto do núcleo apenas fora do alcance da influência da força nuclear. Uma partícula alfa pode ser pensado como sendo uma barreira dentro potencial cujas paredes são 25 MeV. No entanto, as partículas de decaimento alfa só tem energias cinéticas de 4 MeV a cerca de 9 MeV, muito menos do que a energia necessária para escapar.

A mecânica quântica, no entanto, fornece uma explicação pronta, através do mecanismo de tunelamento quântico. A teoria tunelamento quântico de decaimento alfa, desenvolvida de forma independente por George Gamow e Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon em 1928, foi saudado como uma confirmação muito marcante da teoria quântica. Essencialmente, a partícula alfa escapa do núcleo por encapsulamento quântico seu caminho para fora. Gurney e Condon fez a seguinte observação em seu artigo sobre ele:

Tem sido até agora necessário postular alguns 'instabilidade' arbitrária especial do núcleo; mas no seguinte nota salienta-se que a desintegração é uma consequência natural das leis da mecânica quântica sem qualquer hipótese de especial ... Muito tem sido escrito da violência explosiva com o qual o α-partícula é arremessado do seu lugar no núcleo . Mas a partir do processo de foto acima, um preferem dizer que o α-partícula quase escapa despercebido.

A teoria supõe que a partícula alfa pode ser considerado uma partícula independente dentro de um núcleo que está em constante movimento, mas mantida dentro do núcleo por forças nucleares. Em cada colisão com o potencial barreira da força nuclear, há uma pequena probabilidade diferente de zero que ele vai túnel seu caminho para fora. Uma partícula alfa com uma velocidade de 1,5 x 10 7  m / s no interior de um diâmetro nuclear de aproximadamente 10 -14  m irão colidir com a barreira de mais de 10 21 vezes por segundo. No entanto, se a probabilidade de fuga em cada colisão é muito pequena, a meia-vida do radioisótopo será muito longo, uma vez que é o tempo necessário para a probabilidade total de fuga para chegar a 50%. Como um exemplo extremo, a meia-vida do isótopo de bismuto-209 é de 1,9 x 10 19 de anos.

Os isótopos em isobars estáveis beta-decaimento que também são estáveis no que diz respeito à dupla decaimento beta com um número de massa A = 5, A = 8, 143 ≤ Um ≤ 155, 160 ≤ Um ≤ 162, e Um ≥ 165 são teoricamente a passar por alfa decaimento ( "5" deterioração de hélio-4 e um protão ou um neutrão , e "8" decaimento para dois hélio-4, a meia-vida deles ( hélio-5 , lítio-5 , e berílio-8 ) são muito suma, ao contrário da meia-vida para todos os outros tais nuclídeos com a ≤ 209, que são muito tempo. Todos os outros tais nuclídeos com a ≤ 209 são nuclidos primordiais exceto a = 146). No entanto, apenas tais nuclidos com Um = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, e ≥ 209 foi observada (a cárie também foi pesquisada para tais nuclidos com Um = 145, 149, 182, 183 , 184, 192, 204, e 208). Todos os outros números de massa ( Isobars ) tem exactamente um teoricamente nuclídeo estável , excepto possível fissão espontânea para um ≥ 93, que nunca foi observada, e possível deterioração de protões , que tem também nunca foi observada)

Trabalhando nos detalhes da teoria leva a uma equação que relaciona a meia-vida de um radioisótopo para a energia de decaimento das partículas alfa, uma derivação teórica do empírica lei Geiger-Nuttall .

usos

Amerício-241 , um emissor alfa , é utilizado em detectores de fumo . As partículas alfa ionizar o ar de uma forma aberta cara de ionizao e uma pequena corrente flui através do ar ionizado. Partículas do fumo do incêndio que entram na câmara de reduzir a corrente, provocando o alarme do detector de fumaça.

Decaimento alfa pode proporcionar uma fonte de energia segura para geradores termoelétricos de radioisótopos utilizados para sondas espaciais e foram utilizados para marcapassos cardíacos artificiais . Decaimento alfa é muito mais facilmente protegidos contra que outras formas de decaimento radioativo.

Os eliminadores estáticos tipicamente utilizar polônio-210 , um emissor alfa, para ionizar o ar, permitindo que o 'estática' para dissipar mais rapidamente.

toxicidade

Altamente carregada e pesada, partículas alfa perdem seus vários MeV de energia dentro de um pequeno volume de material, ao longo de um curto percurso livre médio . Isto aumenta a possibilidade de quebras de cadeias duplas de ADN, em casos de contaminação interna, quando ingeridos, inalados, injectado ou introduzido através da pele. Caso contrário, tocando uma fonte alfa é normalmente não é prejudicial, como partículas alfa são eficazmente protegidos por alguns centímetros de ar, uma folha de papel, ou a camada fina de células mortas da pele que constituem as epiderme ; No entanto, muitas fontes de alfa também são acompanhados por emissores beta filhas de rádio, e ambos são frequentemente acompanhadas por emissão de fotões gama.

RBE eficácia biológica relativa quantifica a capacidade de radiação para provocar certos efeitos biológicos, nomeadamente quer o cancro ou a morte celular , por exposição à radiação equivalente. A radiação alfa tem elevada transferência de energia linear coeficiente (LET), que é de cerca de uma ionização de uma molécula de / para cada átomo de angstrom de viagens pela partícula alfa. A RBE foi definida com o valor de 20 para radiação alfa por vários regulamentos governamentais. O RBE é fixada em 10 para neutrões de irradiação, e em 1 de radiação beta e dos fotões de ionização.

No entanto, o recuo do núcleo mãe (recuo alfa) confere-lhe uma quantidade significativa de energia, o que também provoca danos de ionização (ver radiação ionizante ). Esta energia é mais ou menos o peso da alfa (4  L ) dividido pelo peso de vezes que o pai (tipicamente cerca de 200 L) a energia total do alfa. De acordo com algumas estimativas, este pode representar a maior parte dos danos por radiação interna, tal como o núcleo de recuo faz parte de um átomo que é muito maior do que uma partícula alfa, e faz com que uma fuga muito densa de ionização; o átomo é tipicamente um metal pesado , o qual, preferencialmente, recolher nos cromossomas . Em alguns estudos, o que resultou em uma RBE aproximando 1.000 em vez do valor utilizado na regulamentações governamentais.

A maior contribuinte singular para a dose de radiação pública é radão , um gás que ocorre naturalmente, radioactivos encontrados no solo e rocha. Se o gás é inalado, algumas das partículas de radão pode anexar ao revestimento interior do pulmão. Estas partículas continuam a decair, que emite partículas alfa, o que pode danificar as células do tecido pulmonar. A morte de Marie Curie aos 66 anos a partir da anemia aplástica foi provavelmente causado por exposição prolongada a altas doses de radiação ionizante, mas não é claro se isto era devido à radiação alfa ou raios-X. Curie trabalhou extensivamente com rádio, que se decompõe em radão, juntamente com outros materiais radioactivos que emitem beta e raios gama . No entanto, Curie também trabalhou com tubos de raios-X sem blindagem durante a Primeira Guerra Mundial, e análise de seu esqueleto durante uma reenterro mostrou um nível relativamente baixo de carga radioisótopo.

O dissidente russo Alexander Litvinenko 2006 assassinato de pelo envenenamento por radiação é pensado para ter sido realizado com polônio-210 , um emissor alfa.

Referências

Notas

links externos