Desintegración alfa
La desintegración alfa o decaimiento alfa es una variante de desintegración radiactiva por la cual un núcleo atómico emite una partícula alfa y se convierte en un núcleo con cuatro unidades menos de número másico y dos unidades menos de número atómico.
Se le puede considerar emisión espontánea de núcleos de helio 4 (4He2+) —en adelante partículas α— a partir de núcleos de átomos más pesados, mediante un proceso de fisión nuclear espontánea. Este tipo de desintegración es típico únicamente de los núcleos atómicos muy pesados.
El telurio 106 (106Te) es el isótopo más ligero en el cual ocurre desintegración alfa en la naturaleza. Artificialmente, el berilio 8 (8Be) se desintegra en dos partículas alfa, en el proceso triple alfa, esencial para generación de carbono 12 (12C) en el interior de las estrellas.
La secuencia de este fenómeno de desintegración se representa mediante la ecuación siguiente:
- .
Con el uranio 238, por ejemplo:
La primera ecuación no está equilibrada eléctricamente. Pero, en la mayoría de los casos el núcleo resultante pierde rápidamente dos electrones en favor de la partícula alfa y se convierte en un átomo de (4He), eléctricamente neutro.
Por esta razón, en la mayoría de los casos, cuando existe un mineral de alto contenido de uno o más elementos radiactivos, en sus alrededores, por la vía de decaimiento alfa, se forman bolsas de 4He.
Todo el helio existente en la Tierra se origina mediante desintegración alfa de elementos radiactivos. Debido a esto suele encontrarse en depósitos minerales ricos en uranio o en torio. Así mismo se obtiene como subproducto en pozos de extracción de gas natural.
El espectro propio de la desintegración es discreto: en un estudio espectroscópico pueden observarse picos en energías identificables con las propias del proceso de decaimiento.
El rango de energías a los que los núcleos emiten las partículas, , puede circunscribirse a 2 MeV 9 MeV (megavoltios electrónicos o megaelectronvoltios).
Historia
Las partículas alfa se describieron por primera vez en las investigaciones de la radiactividad por Ernest Rutherford en 1899, y en 1907 se identificaron como iones He2+. En 1928, George Gamow había resuelto la teoría de la descomposición alfa a través de túneles. La partícula alfa queda atrapada dentro del núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo y una barrera potencial electromagnética repulsiva. Clásicamente, está prohibido escapar, pero de acuerdo con los (entonces) principios recién descubiertos de mecánica cuántica, tiene una probabilidad pequeña (pero distinta de cero) de "tunelización" a través de la barrera y apareciendo en el otro lado para escapar del núcleo. Gamow resolvió un potencial modelo para el núcleo y derivó, a partir de los primeros principios, una relación entre la vida media de la desintegración y la energía de la emisión, que se había descubierto previamente empíricamente y se conocía como Ley de Geiger-Nuttall.[1]
Proceso de decaimiento de un núcleo
El núcleo atómico es la parte central del átomo. Está formado por protones y neutrones, unidos entre sí por la interacción fuerte, la cual permite que el núcleo se mantenga estable pese a la repulsión electrostática entre los protones. La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece.
La partícula α, de energía MeV, es una de las más estables. Por tanto puede existir como tal en la estructura del núcleo pesado. La energía cinética típica de las partículas alfa resultantes de la desintegración es del orden de 5 MeV (≈0,13 % de su energía total). Su velocidad es de 15 000 km/s.
Se puede imaginar este fenómeno como una partícula α atrapada en un pozo de potencial cuántico generado por el resto de nucleones del átomo, donde el potencial culombiano más allá del radio del átomo es dominante.
Clásicamente, si la energía, E, de la partícula alfa fuese superior a la energía potencial, V(r), de la barrera de potencial, siendo r el radio nuclear, aquella escaparía. Pero, normalmente, la partícula no puede escapar del átomo, ya que debe superar la barrera culombiana, y se limitaría a rebotar dentro del núcleo.
La explicación del fenómeno fue la confirmación del efecto túnel, predicho en la mecánica cuántica y planteado por George Gamow.
Usos
El americio-241, un emisor alfa, se utiliza en los detectores de humo. Las partículas alfa ionizan el aire en una cámara de iones abierta y una pequeña corriente fluye a través del aire ionizado. Las partículas de humo del fuego que ingresan a la cámara reducen la corriente y activan la alarma del detector de humo.
Radium-223 también es un emisor alfa. Se utiliza en el tratamiento de metástasis esqueléticas (cánceres en los huesos).
La descomposición alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para el generador termoeléctrico de radioisótopos que se utiliza para las sondas espaciales[2] y se usaron para marcapasos cardíacos artificiales.[3] La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva.
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.
Toxicidad
Al ser relativamente pesadas y cargadas positivamente, el recorrido libre medio de las partículas alfa es muy corto, y a poca distancia de la fuente pierden rápidamente su energía cinética. La consecuencia de esto es que en una zona pequeña se deposita gran cantidad de energía (del orden de un MeV) y, en caso de contaminación interna, incrementa el riesgo de daño celular.
En general la radiación alfa externa no es peligrosa: pocos centímetros de aire o la delgada capa de piel muerta de una persona absorben las partículas. Tocar una fuente α suele no ser dañino, pero -según sea la cantidad incorporada al organismo- su ingestión, inhalación o introducción en el cuerpo pueden serlo.
La principal fuente natural de radiación alfa que nos afecta en la corteza terrestre es el radón, gas radiactivo existente en el suelo, el agua, el aire y varios tipos de rocas.[4] Al inhalar este gas, algunos de sus productos de desintegración quedan atrapados en los pulmones.
A su vez, estos productos continúan desintegrándose y emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células pulmonares.[5]
Probablemente la causa de la muerte de Marie Curie -a los 66 años, por leucemia- haya sido una exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante. Trabajó frecuentemente con radio, que decae en radón,[6] y a su vez se desintegra en otros elementos radiactivos emisores de rayos beta y gamma.
Se sabe que para el asesinato del disidente ruso Alexander Litvinenko en 2006, se utilizó 210Po, que es un radioisótopo emisor alfa.
Referencias
- . 6 November 1996. Archivado desde el original el 24 February 2009.
- . Solar System Exploration. NASA. Archivado desde el original el 7 August 2012. Consultado el 25 March 2013.
- «Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers». Off-Site Source Recovery Project. LANL. Consultado el 25 March 2013.
- ANS : Public Information : Resources : Radiation Dose Chart
- EPA Radiation Information: Radon. October 6 2006,[1], Accessed Dec. 6 2006
- Health Physics Society, "Did Marie Curie die of a radiation overexposure?" . Archivado desde el original el 19 de octubre de 2007. Consultado el 19 de noviembre de 2007.
Bibliografía
- Eisberg, Robert Resnick, Robert (1994). Física cuántica: Átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas. México D.F.: Limusa. 968-18-0419-8, 978-9681804190.
- Antonio Ferrer Soria. Física nuclear y de partículas. Universidad de Valencia, 3ª edición, febrero 2015. ISBN 978-84-370-9645-2.