miniatura|upright=1.35|Representación visual da desintegración alfa
A desintegración alfa ou desintegración α é un tipo de desintegración radioactiva na que un núcleo atómico emite unha partícula alfa (núcleo de helio). O núcleo pai transfórmase ou «desintégrase» nun produto fillo, cun número másico reducido en catro unidades e un número atómico reducido en dúas. Unha partícula alfa é idéntica ao núcleo dun átomo de helio-4, que consta de dous protóns e dous neutróns. Por exemplo, o uranio-238 sofre unha desintegración alfa para formar torio-234.
Aínda que as partículas alfa teñen unha carga eléctrica de +2+0−0 e, isto normalmente non se indica porque unha ecuación nuclear describe unha reacción nuclear sen considerar os electróns, unha convención que non implica que os núcleos existan necesariamente en átomos neutros.
A desintegración alfa ocorre tipicamente nos nuclidos máis pesados. Teoricamente, só pode producirse en núcleos algo máis pesados ca o níquel (elemento 28), onde a enerxía de ligazón global por nucleón deixa de ser máxima e os núclidos son, por tanto, inestables fronte a procesos espontáneos de tipo fisión. Na práctica, este modo de desintegración só se observou en núclidos considerablemente máis pesados ca o níquel, sendo o emisor alfa máis lixeiro coñecido o segundo isótopo máis lixeiro do antimonio, 104Sb.F.G. Kondev et al 2021 Chinese Phys. C 45 030001 Porén, de maneira excepcional, o berilio-8 desintégrase en dúas partículas alfa.
A desintegración alfa é, con moita diferenza, a forma máis común de desintegración en clúster, na que o átomo pai expulsa unha colección definida de nucleóns que constitúen o produto fillo, deixando outro produto definido. É a forma máis común debido á combinación dunha enerxía de ligazón nuclear extremadamente elevada e dunha masa relativamente pequena da partícula alfa. Como outras desintegracións en clúster, a desintegración alfa é fundamentalmente un proceso de tunelamento cuántico. A diferenza da desintegración beta, está gobernada pola interacción entre a forza nuclear forte e a forza electromagnética.
As partículas alfa teñen unha enerxía cinética típica de 5 MeV (ou ≈ 0,13 % da súa enerxía total, 110 TJ/kg) e unha velocidade duns 15.000.000 m/s, ou o 5 % da velocidade da luz. Existe unha variación sorprendentemente pequena arredor desta enerxía debido á forte dependencia da semivida deste proceso coa enerxía producida. Debido á súa masa relativamente grande, á súa carga eléctrica de +2+0−0 e, e á súa velocidade relativamente baixa, as partículas alfa teñen unha alta probabilidade de interactuar con outros átomos e perder a súa enerxía, podendo o seu movemento ser detido por uns poucos centímetros de aire.
Aproximadamente o 99 % do helio producido na Terra é resultado da desintegración alfa de depósitos subterráneos de minerais que conteñen uranio ou torio. O helio chega á superficie como subproduto da produción de gas natural.
Historia
As partículas alfa foron descritas por primeira vez nas investigacións sobre radioactividade realizadas por Ernest Rutherford en 1899 e, cara a 1907, identificáronse como ións He2+.
En 1928, George Gamow resolveu a teoría da desintegración alfa mediante o tunelamento. A partícula alfa está atrapada dentro do núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo e unha barreira de potencial electromagnética repulsiva. Clasicamente, non pode escapar, mais segundo os principios daquela recentemente descubertos da mecánica cuántica, existe unha probabilidade moi pequena (pero distinta de cero) de que poida atravesar por efecto túnel a barreira de potencial e aparecer ao outro lado, escapando así do núcleo. Gamow resolveu un modelo de potencial para o núcleo e deduciu, a partir de primeiros principios, unha relación entre a semivida da desintegración e a enerxía da emisión, que xa fora descuberta empiricamente e era coñecida como a lei de Geiger-Nuttall.
Mecanismo
A forza nuclear que mantén unido un núcleo atómico é moi intensa, en xeral moito máis forte cás forzas electromagnéticas repulsivas entre os protóns. Porén, a forza nuclear tamén é de curto alcance e a súa intensidade diminúe rapidamente máis aló de aproximadamente 3 femtómetros, mentres que a forza electromagnética ten alcance ilimitado. Así, a intensidade da forza nuclear atractiva que mantén unido o núcleo é proporcional ao número de nucleóns, mentres que a forza electromagnética total de repulsión protón-protón que tende a separalo é aproximadamente proporcional ao cadrado do seu número atómico. Un núcleo con 210 ou máis nucleóns é tan grande que a forza nuclear forte apenas consegue compensar a repulsión electromagnética entre os protóns que contén. A desintegración alfa prodúcese nestes núcleos como un medio de aumentar a estabilidade reducindo o seu tamaño.
Un aspecto curioso é por que razón se emiten preferentemente partículas alfa, é dicir, núcleos de helio, en lugar doutras partículas como un único protón, un neutrón ou outros núcleos atómicos.Estes outros modos de desintegración, aínda que posibles, son extremadamente raros en comparación coa desintegración alfa. Parte da razón é a elevada enerxía de ligazón da partícula alfa, o que significa que a súa masa é inferior á suma das masas de dous protóns libres e dous neutróns libres. Isto incrementa a enerxía de desintegración. Calculando a enerxía total de desintegración dada pola ecuación de equivalencia masa-enerxía
onde é a masa inicial do núcleo, é a masa do núcleo despois da emisión da partícula e é a masa da partícula emitida (a partícula alfa), compróbase que nalgúns casos é positiva e, polo tanto, a emisión dunha partícula alfa é posible, mentres que outros modos de desintegración requirirían achegar enerxía. Por exemplo, ao realizar o cálculo para o uranio-232 obsérvase que a emisión dunha partícula alfa libera 5,4 MeV de enerxía, mentres que a emisión dun único protón requiriría 6,1 MeV. A maior parte da enerxía de desintegración convértese na enerxía cinética da partícula alfa, aínda que para cumprir a conservación do momento parte da enerxía transfírese ao retroceso do propio núcleo (véxase retroceso atómico). Porén, dado que os números másicos da maioría dos radioisótopos emisores alfa superan 210, moi por riba do número másico da partícula alfa (4), a fracción da enerxía destinada ao retroceso do núcleo adoita ser moi pequena, inferior ao 2 %.
Con todo, a enerxía de retroceso (da orde dos keV) segue sendo moito maior ca a intensidade das ligazóns químicas (da orde dos eV), polo que o núclido fillo separarase do ambiente químico no que se atopaba o núcleo pai. As enerxías e proporcións das partículas alfa poden utilizarse para identificar o radionúclido pai mediante espectrometría alfa.
Estas enerxías de desintegración, porén, son substancialmente menores ca a barreira de potencial repulsiva creada pola interacción entre a forza nuclear forte e a forza electromagnética, que impide que a partícula alfa escape. A enerxía necesaria para levar unha partícula alfa desde o infinito ata un punto próximo ao núcleo, xusto fóra da rexión de influencia da forza nuclear, adoita situarse arredor dos 25 MeV. Pode considerarse que unha partícula alfa dentro do núcleo está confinada nunha barreira de potencial cuxas paredes se atopan 25 MeV por enriba do potencial no infinito. Non obstante, as partículas alfa emitidas na desintegración só posúen enerxías comprendidas aproximadamente entre 4 e 9 MeV por enriba do potencial no infinito, moi inferiores á enerxía necesaria para superar a barreira e escapar.
Tunelamento cuántico
Porén, a mecánica cuántica permite que a partícula alfa escape mediante tunelamento cuántico. A teoría do tunelamento cuántico aplicada á desintegración alfa, desenvolvida independentemente por George Gamow e por Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon en 1928, foi considerada unha das confirmacións máis impresionantes da teoría cuántica. Esencialmente, a partícula alfa escapa do núcleo non porque adquira enerxía suficiente para superar a parede que a confina, senón porque atravesa esa parede por efecto túnel. Gurney e Condon escribiron no seu artigo:
Ata agora foi necesario postular algunha «inestabilidade» especial e arbitraria do núcleo, pero na seguinte nota sinálase que a desintegración é unha consecuencia natural das leis da mecánica cuántica sen necesidade de ningunha hipótese especial... Escribiuse moito sobre a violencia explosiva coa que a partícula α é expulsada do seu lugar no núcleo. Pero, a partir do proceso descrito anteriormente, máis ben podería dicirse que a partícula α escapa case sen ser advertida.
A teoría supón que a partícula alfa pode considerarse unha partícula independente dentro do núcleo, en movemento constante pero retida pola interacción forte. En cada colisión coa barreira de potencial repulsiva creada pola forza electromagnética existe unha pequena probabilidade distinta de cero de que atravesa a barreira por efecto túnel. Unha partícula alfa cunha velocidade de 1,5×107 m/s dentro dun núcleo cun diámetro aproximado de 10−14 m colidirá coa barreira máis de 1021 veces por segundo. Con todo, se a probabilidade de escape en cada colisión é extremadamente pequena, a semivida do radioisótopo será moi longa, xa que corresponde ao tempo necesario para que a probabilidade acumulada de escape alcance o 50 %. Como exemplo extremo, a semivida do isótopo bismuto-209 é de 2,01×1019+0−0 anos.
Os isótopos pertencentes a isóbaras estables fronte á desintegración beta que tamén son estables respecto da dobre desintegración beta con número másico A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 e A ≥ 165 están teoricamente destinados a sufrir desintegración alfa. Todos os demais números másicos (isóbaras) posúen exactamente un núclido estable teórico. Os de masa 5 desintégranse en helio-4 e un protón ou un neutrón, e os de masa 8 en dous núcleos de helio-4; as súas semividas (helio-5, litio-5 e berilio-8) son moi curtas, a diferenza das semividas de todos os demais núclidos deste tipo con A ≤ 209, que son moi longas. (Estes núclidos con A ≤ 209 son núclidos primordiais, excepto o 146Sm).
O desenvolvemento detallado da teoría conduce a unha ecuación que relaciona a semivida dun radioisótopo coa enerxía de desintegración das súas partículas alfa, constituíndo unha derivación teórica da lei de Geiger-Nuttall empírica.
Usos
Os emisores alfa empréganse en detectores de fume. As partículas alfa ionizan o aire nunha cámara de ionización aberta e unha pequena corrente eléctrica circula a través do aire ionizado. As partículas de fume procedentes dun incendio que penetran na cámara reducen a corrente e activan a alarma do detector.
O radio-223 tamén é un emisor alfa. O seu uso foi probado con resultados satisfactorios no tratamento de metástases óseas derivadas do cancro de próstata metastático resistente á castración.
A desintegración alfa pode proporcionar unha fonte segura de enerxía para os xeradores termoeléctricos de radioisótopos utilizados en sondas espaciais e tamén foi utilizada en marcapasos cardíacos artificiais.
A desintegración alfa é moito máis fácil de blindar ca outras formas de desintegración radioactiva.
Os eliminadores de electricidade estática adoitan utilizar polonio-210, un emisor alfa, para ionizar o aire e permitir que a carga electrostática se disipe máis rapidamente. Toxicidade