Desintegración alfa

La desintegración alfa o α es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa ( núcleo de helio ). El núcleo original se transforma o "desintegra" en un producto hijo , con un número másico reducido en cuatro y un número atómico reducido en dos. Una partícula alfa es idéntica al núcleo de un átomo de helio-4 , que consta de dos protones y dos neutrones . Por ejemplo, el uranio-238 sufre desintegración alfa para formar torio-234 .

Mientras que las partículas alfa tienen carga+2 e  , esto no se suele mostrar porque una ecuación nuclear describe una reacción nuclear sin considerar los electrones, una convención que no implica que los núcleos se encuentren necesariamente en átomos neutros.

La desintegración alfa suele ocurrir en los nucleidos más pesados . Teóricamente, solo puede ocurrir en núcleos algo más pesados ​​que el níquel (elemento 28), donde la energía de enlace total por nucleón ya no es máxima y, por lo tanto, los nucleidos son inestables frente a procesos de fisión espontánea. En la práctica, este modo de desintegración solo se ha observado en nucleidos considerablemente más pesados ​​que el níquel, siendo el emisor alfa más ligero conocido el segundo isótopo más ligero del antimonio , ^104Sb . ^{[ 1 ]} Excepcionalmente, sin embargo, el berilio-8 se desintegra en dos partículas alfa.

La desintegración alfa es, con mucho, la forma más común de desintegración de cúmulos , donde el átomo padre expulsa un conjunto definido de nucleones hijos , dejando otro producto definido. Es la forma más común debido a la combinación de la energía de enlace nuclear extremadamente alta y la masa relativamente pequeña de la partícula alfa. Al igual que otras desintegraciones de cúmulos, la desintegración alfa es fundamentalmente un proceso de tunelización cuántica . A diferencia de la desintegración beta , está regida por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética .

Las partículas alfa tienen una energía cinética típica de 5  MeV (o ≈  0,13% de su energía total, 110  TJ/kg) y una velocidad de aproximadamente 15.000.000  m/s, o el 5% de la velocidad de la luz . Hay una variación sorprendentemente pequeña alrededor de esta energía, debido a la fuerte dependencia de la vida media de este proceso con respecto a la energía producida. Debido a su masa relativamente grande, la carga eléctrica deCon +2 e  y una velocidad relativamente baja, es muy probable que las partículas alfa interactúen con otros átomos y pierdan su energía, y su movimiento hacia adelante puede ser detenido por unos pocos centímetros de aire .

Aproximadamente el 99% del helio producido en la Tierra es resultado de la desintegración alfa de depósitos subterráneos de minerales que contienen uranio o torio . El helio llega a la superficie como subproducto de la producción de gas natural .

Las partículas alfa fueron descritas por primera vez en las investigaciones sobre radiactividad de Ernest Rutherford en 1899, y en 1907 se identificaron como iones He²⁺. En 1928, ^George Gamow resolvió la teoría de la desintegración alfa por efecto túnel. La partícula alfa queda atrapada dentro del núcleo por un pozo de potencial nuclear atractivo y una barrera de potencial electromagnético repulsiva . Clásicamente, está prohibido que escape, pero según los principios de la mecánica cuántica (entonces recién descubiertos) , tiene una pequeña (pero no nula) probabilidad de atravesar la barrera por efecto túnel y aparecer al otro lado para escapar del núcleo. Gamow resolvió un modelo de potencial para el núcleo y derivó, a partir de primeros principios, una relación entre la vida media de la desintegración y la energía de la emisión, que había sido descubierta previamente de forma empírica y se conocía como la ley de Geiger-Nuttall . ^{[ 2 ]}

La fuerza nuclear que mantiene unido un núcleo atómico es muy fuerte, en general mucho más fuerte que las fuerzas electromagnéticas repulsivas entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear también es de corto alcance, disminuyendo rápidamente su intensidad más allá de aproximadamente3 femtómetros  , mientras que la fuerza electromagnética tiene un alcance ilimitado. La intensidad de la fuerza nuclear atractiva que mantiene unido un núcleo es, por lo tanto, proporcional al número de nucleones, pero la fuerza electromagnética disruptiva total de repulsión protón-protón que intenta romper el núcleo es aproximadamente proporcional al cuadrado de su número atómico. Un núcleo con 210 o más nucleones es tan grande que la fuerza nuclear fuerte que lo mantiene unido apenas puede contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones que contiene. La desintegración alfa ocurre en tales núcleos como un medio para aumentar la estabilidad reduciendo el tamaño. ^{[ 3 ]}

Una curiosidad es por qué las partículas alfa, núcleos de helio, deberían emitirse preferentemente en lugar de otras partículas como un solo protón o neutrón u otros núcleos atómicos . ^{[ nota 1 ]} Parte de la razón es la alta energía de enlace de la partícula alfa, lo que significa que su masa es menor que la suma de las masas de dos protones libres y dos neutrones libres. Esto aumenta la energía de desintegración. Calculando la energía total de desintegración dada por la ecuación E _di = ( m _i - m _f - m _p )c ² donde m _i es la masa inicial del núcleo, m _f es la masa del núcleo después de la emisión de partículas y m _p es la masa de la partícula (alfa) emitida, se encuentra que en ciertos casos es positiva y por lo tanto la emisión de partículas alfa es posible, mientras que otros modos de desintegración requerirían que se agregara energía. Por ejemplo, al realizar el cálculo para el uranio-232 se muestra que la emisión de partículas alfa libera5,4  MeV de energía, mientras que una sola emisión de protón requeriría6,1  MeV . La mayor parte de la energía de desintegración se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, aunque para cumplir con la conservación del momento , parte de la energía va al retroceso del propio núcleo (véase retroceso atómico ). Sin embargo, dado que los números másicos de la mayoría de los radioisótopos emisores alfa superan 210, mucho mayor que el número másico de la partícula alfa (4), la fracción de la energía que va al retroceso del núcleo es generalmente bastante pequeña, menos del 2%. ^{[ 3 ]} No obstante, la energía de retroceso (en la escala de keV) sigue siendo mucho mayor que la fuerza de los enlaces químicos (en la escala de eV), por lo que el nucleido hijo se separará del entorno químico en el que estaba el padre. Las energías y las proporciones de las partículas alfa se pueden utilizar para identificar al padre radiactivo mediante espectrometría alfa .

Estas energías de desintegración, sin embargo, son sustancialmente menores que la barrera de potencial repulsiva creada por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética, que impide que la partícula alfa escape. La energía necesaria para traer una partícula alfa desde el infinito hasta un punto cercano al núcleo, justo fuera del alcance de la influencia de la fuerza nuclear, generalmente está en el rango de aproximadamente25  MeV . Se puede pensar que una partícula alfa dentro del núcleo está dentro de una barrera de potencial cuyas paredes son25  MeV por encima del potencial en el infinito. Sin embargo, las partículas alfa de desintegración solo tienen energías de alrededor deEntre 4 y 9  MeV por encima del potencial en el infinito, mucho menos que la energía necesaria para superar la barrera y escapar.

Los emisores alfa se utilizan en detectores de humo . Las partículas alfa ionizan el aire en una cámara de ionización abierta y una pequeña corriente fluye a través del aire ionizado. Las partículas de humo del incendio que entran en la cámara reducen la corriente, lo que activa la alarma del detector de humo. ^{[ 7 ]}

El radio-223 también es un emisor alfa . Su uso se ha probado con resultados exitosos en el tratamiento de metástasis óseas resultantes del cáncer de próstata metastásico resistente a la castración . ^{[ 8 ]}

La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados en sondas espaciales ^{[ 9 ]} y se utilizaron para marcapasos cardíacos artificiales ^{[ 10 ]} . La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva ^{[ 11 ]} .

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. ^{[ 12 ]}

Las partículas alfa, altamente cargadas y pesadas, pierden varios MeV de energía dentro de un pequeño volumen de material, con un recorrido libre medio muy corto . Esto aumenta la probabilidad de roturas de doble cadena en el ADN en casos de contaminación interna, al ser ingeridas, inhaladas, inyectadas o introducidas a través de la piel. Por lo demás, tocar una fuente alfa no suele ser perjudicial, ya que las partículas alfa están efectivamente protegidas por unos pocos centímetros de aire, un trozo de papel o la fina capa de células muertas de la piel que componen la epidermis ; sin embargo, la cadena de desintegración de muchos isótopos emisores de alfa, por ejemplo el radio 226 , contiene núcleos hijos que experimentan desintegración beta y/o gamma . ^{[ 13 ]}

La eficacia biológica relativa (EBR) cuantifica la capacidad de la radiación para causar ciertos efectos biológicos, principalmente cáncer o muerte celular , ante una exposición equivalente. La radiación alfa tiene un alto coeficiente de transferencia lineal de energía (LET), que equivale aproximadamente a una ionización de una molécula o átomo por cada angstrom recorrido por la partícula alfa. Diversas regulaciones gubernamentales han establecido la EBR en 20 para la radiación alfa. La EBR se fija en 10 para la irradiación de neutrones y en 1 para la radiación beta y los fotones ionizantes.

Sin embargo, el retroceso del núcleo padre (retroceso alfa) le da una cantidad significativa de energía, que también causa daño por ionización (ver radiación ionizante ). Esta energía es aproximadamente el peso del alfa (4 Da  ) dividido por el peso del progenitor (típicamente unos 200  Da) por la energía total del alfa. Según algunas estimaciones, esto podría explicar la mayor parte del daño por radiación interna, ya que el núcleo de retroceso es parte de un átomo mucho más grande que una partícula alfa y causa una estela de ionización muy densa; el átomo suele ser un metal pesado , que se acumula preferentemente en los cromosomas . En algunos estudios, ^{[ 14 ]} esto ha resultado en un RBE cercano a 1000 en lugar del valor utilizado en las regulaciones gubernamentales.

El principal contribuyente natural a la dosis de radiación pública es el radón , un gas radiactivo natural presente en el suelo y las rocas. ^{[ 15 ]} Si se inhala este gas, algunas partículas de radón pueden adherirse al revestimiento interno del pulmón. Estas partículas continúan desintegrándose, emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células del tejido pulmonar. ^{[ 16 ]} La muerte de Marie Curie a los 66 años por anemia aplásica probablemente se debió a una exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante, pero no está claro si se debió a radiación alfa o a rayos X. Curie trabajó extensamente con radio, que se desintegra en radón, ^{[ 17 ]} junto con otros materiales radiactivos que emiten rayos beta y gamma . Sin embargo, Curie también trabajó con tubos de rayos X sin blindaje durante la Primera Guerra Mundial, y el análisis de su esqueleto durante un nuevo entierro mostró un nivel relativamente bajo de carga de radioisótopos.

Se cree que el asesinato por envenenamiento por radiación del desertor ruso Alexander Litvinenko en 2006 se llevó a cabo con polonio-210 , un emisor alfa.

• Emisores alfa mediante el aumento de energía (Apéndice 1)

• Gráfico en vivo de nucleidos – OIEA con filtro de desintegración alfa
• Desintegración alfa con 3 ejemplos animados que muestran el retroceso de la partícula hija.

• Desintegración beta
• Desintegración gamma
• Lista de nucleidos emisores alfa