Decadência alfa - Alpha decay

Representação visual da decadência alfa

Decaimento alfa ou decaimento α é um tipo de decaimento radioativo em que um núcleo atômico emite uma partícula alfa (núcleo de hélio) e, assim, se transforma ou 'decai' em um núcleo atômico diferente, com um número de massa que é reduzido por quatro e um atômico número que é reduzido por dois. Uma partícula alfa é idêntica ao núcleo de um átomo de hélio-4 , que consiste em dois prótons e dois nêutrons . Tem uma carga de+2  e e uma massa deu . Por exemplo, o urânio-238 decai para formar o tório-234 . Partículas alfa têm uma carga +2  e , mas como uma equação nuclear descreve uma reação nuclear sem considerar os elétrons - uma convenção que não implica que os núcleos necessariamente ocorram em átomos neutros - a carga geralmente não é mostrada. O decaimento alfa normalmente ocorre nos nuclídeos mais pesados. Teoricamente, pode ocorrer apenas em núcleos um pouco mais pesados ​​do que o níquel (elemento 28), onde a energia de ligação geral por núcleo não é mais máxima e os nuclídeos são, portanto, instáveis ​​em relação aos processos do tipo fissão espontânea. Na prática, este modo de decaimento só foi observado em nuclídeos consideravelmente mais pesados ​​do que o níquel, com os emissores alfa mais leves sendo os isótopos mais leves (números de massa 104-109) de telúrio (elemento 52). Excepcionalmente, porém, o berílio-8 decai em duas partículas alfa. O decaimento alfa é de longe a forma mais comum de decaimento do cluster , onde o átomo pai ejeta uma coleção filha definida de núcleons, deixando outro produto definido para trás. É a forma mais comum por causa da energia de ligação nuclear extremamente alta combinada e uma massa relativamente pequena da partícula alfa. Como outros decaimentos de cluster, o decaimento alfa é fundamentalmente um processo de tunelamento quântico . Ao contrário do decaimento beta , ele é governado pela interação entre a força nuclear forte e a força eletromagnética . As partículas alfa têm uma energia cinética típica de 5 MeV (ou ≈ 0,13% de sua energia total, 110 TJ / kg) e uma velocidade de cerca de 15.000.000 m / s, ou 5% da velocidade da luz . Existe uma variação surpreendentemente pequena em torno dessa energia, devido à forte dependência da meia-vida desse processo da energia produzida. Por causa de sua massa relativamente grande, a carga elétrica de+2  e e velocidade relativamente baixa, as partículas alfa são muito propensas a interagir com outros átomos e perder sua energia, e seu movimento para frente pode ser interrompido 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 trazido à superfície como um subproduto da produção de gás natural .

História

As partículas alfa foram descritas pela primeira vez nas investigações de radioatividade por Ernest Rutherford em 1899 e, em 1907, foram identificadas como íons He 2+ . Em 1928, George Gamow havia resolvido a teoria da decadência alfa via tunelamento. A partícula alfa é aprisionada dentro do núcleo por um poço de potencial nuclear atraente e uma barreira de potencial eletromagnético repulsivo . Classicamente, é proibido escapar, mas de acordo com os (então) princípios recém-descobertos da mecânica quântica , tem uma probabilidade mínima (mas diferente de zero) de " tunelar " através da barreira e aparecer do outro lado para escapar do núcleo . Gamow resolveu um modelo potencial para o núcleo e derivou, a partir dos primeiros princípios, uma relação entre a meia-vida da decomposição e a energia da emissão, que havia sido previamente descoberta empiricamente e era conhecida como lei Geiger-Nuttall .

Mecanismo

A força nuclear que mantém um núcleo atômico unido é muito forte, em geral muito mais forte do que as forças eletromagnéticas repulsivas entre os prótons. No entanto, a força nuclear também é de curto alcance, caindo rapidamente em força além de cerca de 1 femtômetro , enquanto a força eletromagnética tem um alcance ilimitado. A força da força nuclear atrativa que mantém um núcleo unido é, portanto, proporcional ao número de núcleons, mas a força eletromagnética disruptiva total que tenta separar o núcleo é aproximadamente proporcional ao quadrado de seu número atômico. Um núcleo com 210 ou mais núcleos é tão grande que a forte força nuclear que o mantém unido mal consegue contrabalançar a repulsão eletromagnética entre os prótons que ele contém. O decaimento alfa ocorre em tais núcleos como um meio de aumentar a estabilidade reduzindo o tamanho.

Uma curiosidade é por que as partículas alfa, núcleos de hélio, devem ser emitidos preferencialmente em oposição a outras partículas como um único próton ou nêutron ou outros núcleos atômicos . Parte do motivo é a alta energia de ligação da partícula alfa, o que significa que sua massa é menor que a soma das massas de dois prótons e dois nêutrons. Isso aumenta a energia de desintegração. Calculando a energia de desintegração total dada pela equação

onde m i é a massa inicial do núcleo, m f é a massa do núcleo após a emissão da partícula e m p é a massa da partícula emitida, verifica-se que em certos casos ela é positiva e, portanto, a emissão da partícula alfa é possível , enquanto outros modos de decaimento exigiriam a adição de energia. Por exemplo, realizar o cálculo para o urânio-232 mostra que a emissão de partículas alfa fornece 5,4 MeV de energia, enquanto uma única emissão de próton exigiria 6,1 MeV. A maior parte da energia de desintegração torna-se a energia cinética da própria partícula alfa, embora, para manter a conservação do momento, parte da energia vá para o recuo do próprio núcleo (ver Recuo atômico ). No entanto, uma vez que os números de massa da maioria dos radioisótopos emissores de alfa excedem 210, muito maior do que o número de massa da partícula alfa (4), a fração da energia que vai para o recuo do núcleo é geralmente muito pequena, menos de 2%, no entanto, a energia de recuo (na escala de keV) ainda é muito maior do que a força das ligações químicas (na escala de eV), então o nuclídeo filho se separará do ambiente químico em que o pai estava. As energias e proporções de as partículas alfa podem ser usadas para identificar o pai radioativo por meio de espectrometria alfa .

Essas energias de desintegração, no entanto, são substancialmente menores do que a barreira de potencial repulsivo criada pela força eletromagnética, que impede a partícula alfa de escapar. A energia necessária para trazer uma partícula alfa do infinito para um ponto próximo ao núcleo fora da faixa de influência da força nuclear está geralmente na faixa de cerca de 25 MeV. Uma partícula alfa pode ser considerada como estando dentro de uma barreira de potencial cujas paredes estão 25 MeV acima do potencial no infinito. No entanto, as partículas alfa de decaimento têm energias em torno de 4 a 9 MeV acima do potencial no infinito, muito menos do que a energia necessária para escapar.

A mecânica quântica, no entanto, permite que a partícula alfa escape via tunelamento quântico. A teoria do encapsulamento quântico do decaimento alfa, desenvolvida independentemente por George Gamow e Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon em 1928, foi saudada como uma confirmação impressionante da teoria quântica. Essencialmente, a partícula alfa escapa do núcleo não adquirindo energia suficiente para passar pela parede que o confina, mas abrindo um túnel através da parede. Gurney e Condon fizeram a seguinte observação em seu artigo sobre o assunto:

Até agora foi necessário postular alguma 'instabilidade' arbitrária especial do núcleo, mas na nota seguinte, é apontado que a desintegração é uma consequência natural das leis da mecânica quântica sem qualquer hipótese especial ... Muito foi escrito da violência explosiva com que a partícula α é arremessada de seu lugar no núcleo. Mas, a partir do processo ilustrado acima, seria preferível dizer que a partícula α quase passa despercebida.

A teoria supõe que a partícula alfa pode ser considerada uma partícula independente dentro de um núcleo, que está em movimento constante, mas mantida dentro do núcleo por forte interação. A cada colisão com a barreira de potencial repulsivo da força eletromagnética, há uma pequena probabilidade diferente de zero de que ela abrirá um túnel para fora. Uma partícula alfa com uma velocidade de 1,5 × 10 7  m / s com um diâmetro nuclear de aproximadamente 10 −14  m colidirá com a barreira mais de 10 21 vezes por segundo. Porém, se a probabilidade de escape a cada colisão for muito pequena, a meia-vida do radioisótopo será muito longa, pois é o tempo necessário para que a probabilidade total de escape alcance 50%. Como um exemplo extremo, a meia-vida do isótopo bismuto-209 é2,01 × 10 19  anos .

Os isótopos em isóbaros estáveis ​​de decaimento beta que também são estáveis ​​em relação ao decaimento beta duplo com número de massa A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  ≤ 162 e A  ≥ 165 são teorizados para sofrer alfa decair. Todos os outros números de massa ( isóbaros ) têm exatamente um nuclídeo teoricamente estável ). Aqueles com massa 5 decaem para hélio-4 e um próton ou nêutron , e aqueles com massa 8 decaem para dois núcleos de hélio-4; suas meias-vidas ( hélio-5 , lítio-5 e berílio-8 ) são muito curtas, ao contrário das meias-vidas de todos os outros nuclídeos com A  ≤ 209, que são muito longas. (Esses nuclídeos com A  ≤ 209 são nuclídeos primordiais, exceto 146 Sm.)

Trabalhar os detalhes da teoria leva a uma equação que relaciona a meia-vida de um radioisótopo à energia de decaimento de suas partículas alfa, uma derivação teórica da lei empírica de Geiger-Nuttall .

Usos

Americium-241 , um emissor alfa , é usado em detectores de fumaça . As partículas alfa ionizam o ar em uma câmara de íons aberta e uma pequena corrente flui pelo ar ionizado. Partículas de fumaça do incêndio que entram na câmara reduzem a corrente, disparando o alarme do detector de fumaça.

O rádio-223 também é um emissor alfa . É usado no tratamento de metástases esqueléticas (câncer nos ossos).

O decaimento alfa pode fornecer uma fonte de energia segura para geradores termoelétricos de radioisótopos usados ​​para sondas espaciais e foram usados ​​para marcapassos cardíacos artificiais . O decaimento alfa é muito mais facilmente protegido do que outras formas de decaimento radioativo.

Os eliminadores de estática normalmente usam o polônio-210 , um emissor alfa, para ionizar o ar, permitindo que a 'aderência estática' se dissipe mais rapidamente.

Toxicidade

Altamente carregadas e pesadas, as partículas alfa perdem seus vários MeV de energia dentro de um pequeno volume de material, junto com um caminho livre médio muito curto . Isso aumenta a chance de rompimento da fita dupla no DNA em casos de contaminação interna, quando ingerido, inalado, injetado ou introduzido pela pele. Caso contrário, tocar em uma fonte alfa normalmente não é prejudicial, pois as partículas alfa são efetivamente protegidas por alguns centímetros de ar, um pedaço de papel ou a fina camada de células mortas da pele que constituem a epiderme ; no entanto, muitas fontes alfa também são acompanhadas por filhas de rádio emissoras de beta , e ambas são freqüentemente acompanhadas por emissão de fótons gama.

A eficácia biológica relativa (RBE) quantifica a capacidade da radiação de causar certos efeitos biológicos, notadamente câncer ou morte celular , para exposição à radiação equivalente. A radiação alfa tem um alto coeficiente de transferência de energia linear (LET), que é cerca de uma ionização de uma molécula / átomo para cada angstrom de viagem pela partícula alfa. O RBE foi definido no valor de 20 para radiação alfa por vários regulamentos governamentais. O RBE é definido em 10 para irradiação de nêutrons e em 1 para radiação beta e fótons ionizantes.

No entanto, o recuo do núcleo parental (recuo alfa) dá a ele uma quantidade significativa de energia, que também causa danos de ionização (ver radiação ionizante ). Essa energia é aproximadamente o peso do alfa (4  u ) dividido pelo peso do pai (normalmente cerca de 200 u) vezes a energia total do alfa. Por algumas estimativas, isso pode ser responsável pela maior parte dos danos da radiação interna, já que o núcleo de recuo é parte de um átomo que é muito maior do que uma partícula alfa e causa uma trilha muito densa de ionização; o átomo é tipicamente um metal pesado , que se acumula preferencialmente nos cromossomos . Em alguns estudos, isso resultou em um RBE próximo a 1.000, em vez do valor usado em regulamentações governamentais.

O maior contribuinte natural para a dose de radiação pública é o radônio , um gás radioativo de ocorrência natural encontrado no solo e nas rochas. Se o gás for inalado, algumas das partículas de radônio podem se prender ao revestimento interno do pulmão. Essas partículas continuam a se decompor, emitindo partículas alfa, que podem danificar as células do tecido pulmonar. A morte de Marie Curie aos 66 anos de anemia aplástica foi provavelmente causada pela exposição prolongada a altas doses de radiação ionizante, mas não está claro se isso foi devido à radiação alfa ou aos raios-X. Curie trabalhou extensivamente com rádio, que se decompõe em radônio, junto com outros materiais radioativos que emitem raios beta e gama . No entanto, Curie também trabalhou com tubos de raios-X não blindados durante a Primeira Guerra Mundial, e a análise de seu esqueleto durante um enterro mostrou um nível relativamente baixo de carga de radioisótopo.

Acredita-se que o assassinato do dissidente russo Alexander Litvinenko em 2006 por envenenamento por radiação tenha sido executado com polônio-210 , um emissor alfa.

Referências

Notas

links externos