Articulo de referencia

Partícula alfa

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Las partículas alfa , también llamadas rayos alfa o radiación alfa , consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica al núcleo de un átomo de helio-4 . [ 6 ] Generalmente se producen en el proceso de desintegración alfa , pero también pueden producirse de otras maneras. Las partículas alfa reciben su nombre de la primera letra del alfabeto griego , α . El símbolo para la partícula alfa es α o α 2+ . Debido a que son idénticas a los núcleos de helio, a veces también se escriben como He 2+ o 4 2 He 2+ , lo que indica un ion de helio con una carga de +2 (le faltan sus dos electrones ). Una vez que el ion gana electrones de su entorno, la partícula alfa se convierte en un átomo de helio normal (eléctricamente neutro) 4 2 He .

Las partículas alfa tienen un espín neto de cero. Cuando se producen en la desintegración radiactiva alfa estándar , generalmente tienen una energía cinética de aproximadamente 5 MeV y una velocidad cercana al 4 % de la velocidad de la luz . Son una forma altamente ionizante de radiación de partículas , con baja profundidad de penetración (son detenidas por unos pocos centímetros de aire o por la piel ). 

Sin embargo, las denominadas partículas alfa de largo alcance procedentes de la fisión ternaria son tres veces más energéticas y penetran tres veces más lejos. Los núcleos de helio que forman entre el 10 % y el 12 % de los rayos cósmicos también suelen tener una energía mucho mayor que los producidos por los procesos de desintegración nuclear, por lo que pueden ser altamente penetrantes y capaces de atravesar el cuerpo humano e incluso varios metros de blindaje sólido denso, dependiendo de su energía. En menor medida, esto también se aplica a los núcleos de helio de muy alta energía producidos por aceleradores de partículas.

Nombre

El término "partícula alfa" fue acuñado por Ernest Rutherford al informar sobre sus estudios de las propiedades de la radiación del uranio. [ 7 ] La radiación parecía tener dos características diferentes, la primera la llamó "α{\displaystyle \alpha }radiación" y la más penetrante la llamó "β{\displaystyle \beta }radiación". Después de cinco años de trabajo experimental adicional, Rutherford y Hans Geiger determinaron que "la partícula alfa, después de haber perdido su carga positiva, es un átomo de helio". [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] : 61 La radiación alfa consiste en partículas equivalentes a núcleos de helio doblemente ionizados (He 2+ ), que pueden ganar electrones al pasar a través de la materia. Este mecanismo es el origen del gas helio terrestre. [ 11 ]

Fuentes

Desintegración alfa

Un físico observa partículas alfa provenientes de la desintegración de una fuente de polonio en una cámara de niebla.
Se ha detectado radiación alfa en una cámara de niebla de isopropanol (tras la inyección de una fuente artificial de radón-220).

La fuente más conocida de partículas alfa es la desintegración alfa de átomos más pesados ​​(con un número másico de al menos 10⁴). Cuando un átomo emite una partícula alfa en la desintegración alfa, su número másico disminuye en cuatro debido a la pérdida de los cuatro nucleones de la partícula alfa. El número atómico del átomo disminuye en dos, como resultado de la pérdida de dos protones  ; el átomo se convierte en un nuevo elemento. Ejemplos de este tipo de transmutación nuclear por desintegración alfa son la desintegración del uranio en torio y la del radio en radón .

Las partículas alfa son emitidas comúnmente por todos los núcleos radiactivos más grandes , como el uranio , el torio , el actinio y el radio , así como por los elementos transuránicos . A diferencia de otros tipos de desintegración, la desintegración alfa como proceso requiere un núcleo atómico de tamaño mínimo que pueda soportarla. Los núcleos más pequeños que se han encontrado hasta la fecha capaces de emitir partículas alfa son el berilio-8 y el telurio-104 , sin contar la emisión alfa retardada beta de algunos elementos más ligeros. La desintegración alfa a veces deja al núcleo padre en un estado excitado; la emisión de un rayo gamma elimina entonces el exceso de energía .

Mecanismo de producción en la desintegración alfa

A diferencia de la desintegración beta , las interacciones fundamentales responsables de la desintegración alfa son un equilibrio entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear . La desintegración alfa resulta de la repulsión de Coulomb [ 5 ] entre la partícula alfa y el resto del núcleo, que tienen carga eléctrica positiva , pero que se mantiene controlada por la fuerza nuclear . En la física clásica , las partículas alfa no tienen suficiente energía para escapar del pozo de potencial de la fuerza fuerte dentro del núcleo (este pozo implica escapar de la fuerza fuerte para subir por un lado del pozo, lo que es seguido por la fuerza electromagnética que causa un empuje repulsivo hacia abajo por el otro lado).

Sin embargo, el efecto túnel cuántico permite que las partículas alfa escapen aunque no tengan la energía suficiente para superar la fuerza nuclear . Esto es posible gracias a la naturaleza ondulatoria de la materia, que permite que la partícula alfa permanezca durante un tiempo en una región tan alejada del núcleo que el potencial de la fuerza electromagnética repulsiva compensa por completo la atracción de la fuerza nuclear. Desde este punto, las partículas alfa pueden escapar.

fisión ternaria

Las partículas alfa especialmente energéticas derivadas de un proceso nuclear se producen en el proceso de fisión nuclear relativamente raro (uno de cada varios cientos) de fisión ternaria . En este proceso, se producen tres partículas cargadas en lugar de las dos habituales, siendo la más pequeña de ellas una partícula alfa con una probabilidad muy alta (90%). Estas partículas alfa se denominan "alfas de largo alcance" ya que, con su energía típica de 16 MeV, tienen una energía mucho mayor que la producida por la desintegración alfa. La fisión ternaria ocurre tanto en la fisión inducida por neutrones (la reacción nuclear que tiene lugar en un reactor nuclear) como cuando los nucleidos actínidos fisionables y fisionables (es decir, átomos pesados ​​capaces de fisionarse) experimentan fisión espontánea como una forma de desintegración radiactiva. Tanto en la fisión inducida como en la espontánea, las energías más altas disponibles en los núcleos pesados ​​dan como resultado alfas de largo alcance con mayor energía que las producidas por la desintegración alfa.

Aceleradores

Los núcleos energéticos de helio (iones de helio) pueden producirse mediante ciclotrones , sincrotrones y otros aceleradores de partículas . Por convención, no se les suele denominar "partículas alfa".

reacciones del núcleo solar

Los núcleos de helio pueden participar en reacciones nucleares en las estrellas, y ocasionalmente e históricamente se las ha denominado reacciones alfa (véase proceso triple alfa y proceso alfa ).

rayos cósmicos

Además, los núcleos de helio de energía extremadamente alta, a veces denominados partículas alfa, constituyen entre el 10 y el 12 % de los rayos cósmicos . Los mecanismos de producción de rayos cósmicos siguen siendo objeto de debate.

Energía y absorción

Un diagrama de dispersión muestra 15 ejemplos de nucleidos radiactivos con las energías de sus principales partículas alfa emitidas representadas en función de su número atómico. El rango de energías es de aproximadamente 2 a 12 MeV. El rango de números atómicos es de aproximadamente 50 a 110.
Ejemplo de selección de nucleidos radiactivos con energías de partículas alfa principales emitidas representadas gráficamente en función de su número atómico. [ 12 ] Cada nucleido tiene un espectro alfa distinto .

La energía de la partícula alfa emitida en la desintegración alfa depende ligeramente de la vida media del proceso de emisión, y se observan diferencias de varios órdenes de magnitud en la vida media asociadas a cambios de energía inferiores al 50%, como muestra la ley de Geiger-Nuttall .

La energía de las partículas alfa emitidas varía, siendo las de mayor energía las emitidas por núcleos más grandes, pero la mayoría de las partículas alfa tienen energías de entre 3 y 7 MeV (megaelectronvoltios), que corresponden a vidas medias extremadamente largas y extremadamente cortas de los nucleidos emisores de alfa, respectivamente. Las energías y las proporciones suelen ser distintas y pueden utilizarse para identificar nucleidos específicos, como en la espectrometría alfa . 

Con una energía cinética típica de 5  MeV; la velocidad de las partículas alfa emitidas es15 000  km/s , lo que equivale al 5 % de la velocidad de la luz. Esta energía es una cantidad sustancial para una sola partícula, pero su elevada masa implica que las partículas alfa tienen una velocidad menor que cualquier otro tipo de radiación común, como las partículas beta o los neutrones . [ 13 ]

Debido a su carga y gran masa, las partículas alfa son fácilmente absorbidas por los materiales y solo pueden recorrer unos pocos centímetros en el aire. Pueden ser absorbidas por papel tisú o por las capas externas de la piel humana. Generalmente penetran la piel unos 40 micrómetros , lo que equivale a unas pocas células de profundidad. 

Efectos biológicos

Debido al corto rango de absorción y la incapacidad de penetrar las capas externas de la piel, las partículas alfa no son, en general, peligrosas para la vida a menos que la fuente sea ingerida o inhalada. [ 14 ] Debido a esta alta masa y fuerte absorción, si los radionúclidos emisores de alfa ingresan al cuerpo (al ser inhalados, ingeridos o inyectados, como con el uso de Thorotrast para imágenes de rayos X de alta calidad antes de la década de 1950), la radiación alfa es la forma más destructiva de radiación ionizante . Es la más fuertemente ionizante y con dosis suficientemente grandes puede causar cualquiera o todos los síntomas de envenenamiento por radiación . Se estima que el daño cromosómico por partículas alfa es entre 10 y 1000 [ 15 ] veces mayor que el causado por una cantidad equivalente de radiación gamma o beta, con un promedio establecido en 20 veces. Un estudio de trabajadores nucleares europeos expuestos internamente a radiación alfa de plutonio y uranio encontró que cuando se considera la efectividad biológica relativa en 20, el potencial carcinogénico (en términos de cáncer de pulmón) de la radiación alfa parece ser consistente con el reportado para dosis de radiación gamma externa, es decir, una dosis dada de partículas alfa inhaladas presenta el mismo riesgo que una dosis 20 veces mayor de radiación gamma. [ 16 ] Se sospecha que el potente emisor alfa polonio-210 (un miligramo de 210 Po emite tantas partículas alfa por segundo como 4,215  gramos de 226 Ra ) juega un papel en el cáncer de pulmón y cáncer de vejiga relacionados con el tabaquismo . [ 17 ] El 210 Po se usó para matar al disidente ruso y ex oficial del FSB Alexander V. Litvinenko en 2006. [ 18 ]

Historia del descubrimiento y uso

Figuras 1 y 2 del artículo de Rutherford de 1899 sobre la radiación del uranio. [ 19 ] La radiación del uranio ionizó el aire entre los electrodos A y B, creando una corriente. Al principio, la corriente disminuyó progresivamente a medida que Rutherford colocaba capa tras capa de papel de aluminio sobre el uranio, pero a partir de los 20 micrómetros de espesor, la corriente se mantuvo más o menos constante.

En 1896, Henri Becquerel descubrió que el uranio emite una radiación invisible que puede oscurecer las placas fotográficas, y que esta misteriosa radiación no era fosforescencia . [ 10 ] : 49 En 1898, Marie Curie demostró que este fenómeno, al que llamó "radiactividad", no era exclusivo del uranio y era una propiedad de los átomos individuales. [ 10 ] : 55 Ernest Rutherford estudió la radiación del uranio y descubrió que podía ionizar partículas de gas. [ 20 ] : 2

En 1899, Rutherford descubrió que la radiación del uranio es una mezcla de dos tipos de radiación. [ 10 ] : 60 Realizó un experimento que involucraba dos electrodos separados por 4  cm de aire. Colocó algo de uranio en el electrodo inferior, y la radiación del uranio ionizó el aire entre los electrodos, creando una corriente. Luego, Rutherford colocó una lámina de aluminio (de 5 micrómetros de espesor) sobre el uranio y notó que la corriente disminuyó un poco, lo que indicaba que la lámina estaba absorbiendo parte de la radiación del uranio. Rutherford colocó algunas láminas más sobre el uranio y encontró que, para las primeras cuatro láminas, la corriente disminuía constantemente a una tasa geométrica. Sin embargo, después de la cuarta capa de lámina sobre el uranio, la corriente ya no disminuyó y se mantuvo más o menos constante hasta doce capas de lámina. Este resultado indicó que la radiación del uranio tiene dos componentes. Rutherford denominó a un componente "radiación alfa", que era absorbido completamente por solo unas pocas capas de papel de aluminio, y lo que quedaba era un segundo componente que podía penetrar muchas capas de papel de aluminio, y a este último lo denominó " radiación beta ". [ 19 ]

En 1900, Marie Curie observó que el coeficiente de absorción de los rayos alfa parecía aumentar cuanto más gruesa era la barrera que colocaba en su trayectoria. Esto sugería que la radiación alfa no es una forma de luz, sino que está compuesta de partículas que pierden energía cinética al atravesar barreras. En 1902, Rutherford descubrió que podía desviar los rayos alfa con un campo magnético y un campo eléctrico, demostrando que la radiación alfa está compuesta de partículas con carga eléctrica. La dirección en la que se desviaban las partículas alfa era opuesta a la de los rayos catódicos, lo que demostraba que estos últimos tienen carga positiva. [ 21 ] [ 22 ]

En 1906, Rutherford realizó mediciones más precisas de la relación carga-masa de las partículas alfa. Primero, descubrió que esta relación era prácticamente la misma tanto si la fuente era radio como actinio , demostrando así que las partículas alfa son idénticas independientemente de su origen. Segundo, halló que la relación carga-masa de las partículas alfa era la mitad de la del ion hidrógeno. Rutherford propuso tres explicaciones: (1) una partícula alfa es una molécula de hidrógeno (H₂ ) con una carga de 1e ; (2) una partícula alfa es un átomo de helio con una carga de 2e ; (3) una partícula alfa es la mitad de un átomo de helio con una carga de 1e . En aquel momento, los científicos sabían que los iones de hidrógeno tienen un peso atómico de 1 y una carga de 1e , y que el helio tiene un peso atómico de 4. Nadie sabía con exactitud cuántos electrones había en un átomo. Los protones y neutrones aún no se habían descubierto. Rutherford decidió que la segunda explicación era la más plausible porque es la más simple y los depósitos considerables de helio se encontraban comúnmente bajo tierra junto a depósitos de elementos radiactivos. Su explicación fue que, cuando los elementos radiactivos subterráneos emiten partículas alfa, estas quedan atrapadas en los estratos rocosos y adquieren electrones, convirtiéndose en átomos de helio. [ 23 ] Por lo tanto, una partícula alfa es esencialmente un átomo de helio despojado de dos electrones.    

En 1909, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron finalmente que las partículas alfa eran, en efecto, iones de helio. [ 24 ] Para ello, recolectaron y purificaron el gas emitido por el radio, un emisor conocido de partículas alfa, en un tubo de vidrio. Una descarga eléctrica dentro del tubo produjo luz. El estudio posterior del espectro de esta luz demostró que el gas era helio y, por lo tanto, las partículas alfa eran efectivamente iones de helio. [ 10 ] : 61

En 1911, Rutherford utilizó datos de dispersión de partículas alfa para argumentar que la carga positiva de un átomo se concentra en un núcleo diminuto. En 1913, Antonius van den Broek sugirió que la carga nuclear en un átomo, y por extensión el número de electrones, es igual a su número atómico . [ 10 ] : 228 [ 25 ] [ 26 ] Por lo tanto, un átomo de helio tiene dos electrones, y una partícula alfa es esencialmente un núcleo de helio. En 1920, Rutherford dedujo la existencia del protón como la fuente de carga positiva en el átomo. En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón . A partir de entonces, se supo que una partícula alfa es una aglomeración de dos protones y dos neutrones.

Partícula anti-alfa

Aunque se conocen los equivalentes de antimateria del helio-3 desde 1970, no fue hasta 2010 que los miembros de la colaboración internacional STAR, utilizando el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. , detectaron la antipartícula del núcleo de helio-4. [ 27 ] Al igual que en los experimentos de dispersión de Rutherford , el experimento de antimateria utilizó oro. En esta ocasión, los iones de oro se movían a casi la velocidad de la luz y colisionaban frontalmente para producir la antipartícula, también denominada partícula "anti-alfa". [ 28 ]

Aplicaciones

Dispositivos

  • Algunos detectores de humo contienen una pequeña cantidad del emisor alfa americio-241 . [ 29 ] Las partículas alfa ionizan el aire dentro de un pequeño espacio. Una pequeña corriente eléctrica pasa a través de ese aire ionizado. Las partículas de humo provenientes de un incendio que entran en el espacio de aire reducen el flujo de corriente, activando la alarma. El isótopo es extremadamente peligroso si se inhala o ingiere, pero el peligro es mínimo si la fuente se mantiene sellada. Muchos municipios han establecido programas para recolectar y desechar detectores de humo viejos, para evitar que terminen en la basura común. Sin embargo, la EPA de EE. UU. indica que "pueden desecharse con la basura doméstica". [ 29 ]
  • La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía relativamente segura para los generadores termoeléctricos de radioisótopos [ 30 ] utilizados en sondas espaciales . La desintegración alfa es mucho más fácil de proteger que otras formas de desintegración radiactiva. El plutonio-238 , una fuente de partículas alfa, requiere solo 2,5  mm de blindaje de plomo para protegerse de la radiación no deseada.
  • 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. [ 31 ] [ 32 ]

Tratamiento del cáncer

Actualmente, los radionúclidos emisores de partículas alfa se utilizan de tres maneras diferentes para erradicar tumores cancerosos: como tratamiento radiactivo infusible dirigido a tejidos específicos (radio-223), como fuente de radiación insertada directamente en tumores sólidos (radio-224) y como elemento unido a una molécula dirigida al tumor, como un anticuerpo contra un antígeno asociado al tumor.

El radio-223 es un emisor alfa que se siente atraído naturalmente por el hueso debido a su capacidad para imitar el calcio . El radio-223 (como dicloruro de radio-223) se puede infundir en las venas de un paciente con cáncer, tras lo cual migra a las zonas del hueso donde existe una rápida renovación celular debido a la presencia de tumores metastásicos. Una vez dentro del hueso, el Ra-223 emite radiación alfa que puede destruir las células tumorales en un radio de 100 micras. Este método se utiliza desde 2013 para tratar el cáncer de próstata con metástasis óseas. [ 33 ] Los radionúclidos infundidos en la circulación sanguínea pueden alcanzar zonas accesibles a los vasos sanguíneos. Sin embargo, esto significa que el interior de un tumor grande que no está vascularizado (es decir, que no está bien penetrado por los vasos sanguíneos) puede no ser erradicado eficazmente por la radiactividad.

El radio-224 es un átomo radiactivo que se utiliza como fuente de radiación alfa en un dispositivo de tratamiento del cáncer llamado DaRT ( radioterapia con emisores alfa difusivos ). Cada átomo de radio-224 experimenta un proceso de desintegración que produce 6 átomos hijos. Durante este proceso, se emiten 4 partículas alfa. El alcance de una partícula alfa —hasta 100 micras— es insuficiente para cubrir el ancho de muchos tumores. Sin embargo, los átomos hijos del radio-224 pueden difundirse hasta 2-3  mm en el tejido, creando así una "zona de destrucción" con suficiente radiación para destruir potencialmente un tumor completo, si las semillas se colocan adecuadamente. [ 34 ] La vida media del radio-224 es lo suficientemente corta (3,6 días) como para producir un efecto clínico rápido y evitar el riesgo de daño por radiación debido a la sobreexposición. Al mismo tiempo, la vida media es lo suficientemente larga como para permitir la manipulación y el envío de las semillas a un centro de tratamiento del cáncer en cualquier lugar del mundo.

La terapia alfa dirigida para tumores sólidos consiste en unir un radionúclido emisor de partículas alfa a una molécula dirigida al tumor, como un anticuerpo, que se puede administrar por vía intravenosa a un paciente con cáncer. [ 35 ]

Radiación alfa y errores de DRAM

En tecnología informática, en 1978 se vincularon los " errores transitorios " de la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) con partículas alfa en los chips DRAM de Intel . Este descubrimiento condujo a un control estricto de los elementos radiactivos en el empaquetado de los materiales semiconductores, y el problema se considera en gran medida resuelto. [ 36 ]

Véase también

Referencias

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  13. Nota: Dado que los rayos gamma son electromagnéticos ( luz ), se mueven a la velocidad de la luz ( c ). Las partículas beta suelen moverse a una fracción considerable de c , y superan el 60 % de c cuando su energía es >64keV, lo cual es común. La velocidad de los neutrones provenientes de reacciones nucleares varía desde aproximadamente el 6 % de c para la fisión hasta el 17 % de c para la fusión.     
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  34. Arazi, L.; Cooks, T.; Schmidt, M.; Keisari, Y.; Kelson, I. (21 de agosto de 2007). "Tratamiento de tumores sólidos mediante la liberación intersticial de emisores alfa de corta duración con retroceso". Física en Medicina y Biología . 52 (16): 5025– 42. Bibcode : 2007PMB....52.5025A . doi : 10.1088/0031-9155 / 52/16/021 . PMID 17671351. S2CID 1585204 .  
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Lecturas adicionales

  • Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4.ª  ed.). WH Freeman . ISBN 978-0-7167-4345-3.

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