Partícula alfa

Las partículas alfa (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (⁴He). Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva (+2q_e), mientras que su masa es de 4 uma.

Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros nucleidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas. Su capacidad de penetración es pequeña; en la atmósfera pierden rápidamente su energía cinética, porque interaccionan fuertemente con otras moléculas debido a su gran masa y carga eléctrica, generando una cantidad considerable de iones por centímetro de longitud recorrida. En general, no pueden atravesar espesores de varias hojas de papel.

Tiene una carga de $3,2\cdot 10^{-19}$ culombios y una masa de $6,64\cdot 10^{-27}$ kg.

El estudio teórico de la desintegración alfa llevó al desarrollo de un modelo cuántico, denominado modelo de Gamow. Este modelo se basa en un efecto meramente cuántico conocido como efecto túnel. Más adelante, se vio que podía predecir los períodos de semidesintegración de los núcleos que sufrían desintegraciones alfa, por lo que fue la primera confirmación del efecto túnel predicho por la mecánica cuántica.

Además, el estudio de la radiación alfa es interesante debido a las diversas aplicaciones que presenta esta radiación. Entre ellas están los detectores de humo, los dispositivos antiestáticos o los generadores termoeléctricos, donde la desintegración alfa puede usarse como fuente de energía. Otra aplicación importante es el uso de radionúclidos emisores de partículas α para bombardear tumores. Como tienen un alcance muy pequeño, si se lanzan contra la zona adecuada pueden detener su crecimiento, afectando mínimamente a las zonas circundantes.

Las partículas alfa tienen un Espín neto de cero. Debido al mecanismo de su producción en la desintegración radiactiva alfa estándar , las partículas alfa 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 y, cuando son resultado de la desintegración alfa radiactiva, generalmente tienen una profundidad de penetración baja (detenida por unos pocos centímetros de aire o por la piel ).

Sin embargo, las llamadas partículas alfa de largo alcance de la fisión ternaria son tres veces más energéticas y penetran tres veces más. Los núcleos de helio que forman el 10-12% de los rayos cósmicos también suelen tener una energía mucho más alta que los producidos por los procesos de desintegración nuclear y, por lo tanto, pueden ser altamente penetrantes y capaces de atravesar el cuerpo humano y también muchos metros de blindaje sólido denso, dependiendo en su energía. En menor medida, esto también es cierto para los núcleos de helio de muy alta energía producidos por aceleradores de partículas.

Nombre

Algunos autores científicos utilizan "núcleos de helio doblemente ionizados" (He2+
) y "partículas alfa" como términos intercambiables. La nomenclatura no está bien definida, por lo que no todos los núcleos de helio de alta velocidad son considerados por todos los autores como partículas alfa. Al igual que ocurre con las beta y los gamma, el nombre utilizado para la partícula conlleva algunas connotaciones leves sobre su proceso de producción y su energía, pero no se aplican de forma rigurosa.^[1]

Así, las partículas alfa pueden usarse vagamente como término al referirse a las reacciones de los núcleos de helio estelares (por ejemplo el procesos alfa), e incluso cuando se producen como componentes de los rayos cósmicos. Una versión de mayor energía de los alfas que se produce en la desintegración alfa es un producto común de un resultado poco común de fisión nuclear llamado fisión ternaria. Sin embargo, los núcleos de helio producidos por aceleradores de partículas como ciclotrones, sincrotrones y similares, son menos propensos a ser denominados "partículas alfa".

Historia del descubrimiento y uso

Una partícula alfa es desviada por un campo magnético.

En los años 1899 y 1900, los físicos Ernest Rutherford (trabajando en la Universidad McGill en Montreal, Canadá) y Paul Villard (trabajando en París) separaron la radiación ionizante de origen nuclear en tres tipos, basándose en la penetración de objetos y en la deflexión por un campo magnético. Estas fueron nombradas por Rutherford como: radiación alfa, beta y gamma.^[2] Los rayos alfa, formados por partículas alfa, fueron definidos por Rutherford como los que tienen la menor penetración de objetos ordinarios; mientras que los rayos gamma, de la misma naturaleza que los rayos X, como los de mayor penetración.

El trabajo de Rutherford también incluía mediciones de la relación entre la masa de una partícula alfa y su carga, lo que le llevó a la hipótesis de que las partículas alfa eran iones de helio doblemente cargados (que más tarde se demostró que eran núcleos de helio desnudos).^[3] En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron finalmente que las partículas alfa eran efectivamente iones de helio.^[4] Para ello dejaron que las partículas alfa penetraran en una pared de cristal muy fina de un tubo evacuado, capturando así un gran número de los hipotéticos iones de helio dentro del tubo. A continuación, provocaron una chispa eléctrica dentro del tubo. El estudio posterior de los espectros del gas resultante demostró que se trataba de helio y que las partículas alfa eran efectivamente los hipotéticos iones de helio.

Dado que las partículas alfa se producen de forma natural, pero pueden tener una energía lo suficientemente alta como para participar en una reacción nuclear, su estudio condujo a muchos de los primeros conocimientos de la física nuclear. Rutherford utilizó las partículas alfa emitidas por el bromuro de radio para inferir que el modelo del pudín de ciruela de J. J. Thomson del átomo era fundamentalmente erróneo. En el experimento de la lámina de oro de Rutherford realizado por sus alumnos Hans Geiger y Ernest Marsden, se estableció un estrecho haz de partículas alfa que atravesaba una lámina de oro muy fina (de unos cientos de átomos de espesor). Las partículas alfa fueron detectadas por una pantalla de sulfuro de zinc, que emite un destello de luz al colisionar las partículas alfa. Rutherford planteó la hipótesis de que, suponiendo que el modelo del átomo "Plum pudding model|plum pudding]]" fuera correcto, las partículas alfa con carga positiva solo se desviarían ligeramente, si es que lo hacían, por la carga positiva dispersa prevista.

Se descubrió que algunas de las partículas alfa se desviaban en ángulos mucho mayores de lo esperado (a sugerencia de Rutherford para comprobarlo) y algunas incluso rebotaban casi directamente. Aunque la mayoría de las partículas alfa pasaron directamente, como se esperaba, Rutherford comentó que las pocas partículas que se desviaron eran similares a disparar un proyectil de 15 pulgadas a un papel de seda para que rebotara, suponiendo de nuevo que la teoría del "pudín de ciruela" fuera correcta. Se determinó que la carga positiva del átomo se concentraba en una pequeña zona de su centro, lo que hacía que la carga positiva fuera lo suficientemente densa como para desviar cualquier partícula alfa con carga positiva que se acercara a lo que posteriormente se denominó el núcleo.

Antes de este descubrimiento, no se sabía que las partículas alfa eran en sí mismas núcleos atómicos, ni se conocía la existencia de protones o neutrones. Después de este descubrimiento, se abandonó el modelo del "pudín de ciruela" de J.J. Thomson, y el experimento de Rutherford condujo al modelo de Bohr y más tarde al moderno modelo ondulatorio del átomo.

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La huella de una sola partícula alfa obtenida por el físico nuclear Wolfhart Willimczik con su cámara de chispas hecha especialmente para las partículas alfa

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En 1917, Rutherford pasó a utilizar las partículas alfa para producir accidentalmente lo que más tarde entendió como una transmutación nuclear dirigida de un elemento a otro. La transmutación de elementos de uno a otro se había entendido desde 1901 como resultado de la desintegración radiactiva natural, pero cuando Rutherford proyectó partículas alfa de la desintegración alfa en el aire, descubrió que esto producía un nuevo tipo de radiación que resultó ser núcleos de hidrógeno (Rutherford los llamó protones). Otros experimentos mostraron que los protones procedían del componente de nitrógeno del aire, y se dedujo que la reacción era una transmutación de nitrógeno en oxígeno en la reacción

¹⁴N + α → ¹⁷O + p

A las imágenes adyacentes: Según la curva de pérdida de energía de Bragg, es reconocible que la partícula alfa efectivamente pierde más energía al final de la traza.^[5]

Fuentes de partículas alfa

Desintegración alfa

La fuente más conocida de partículas alfa es la desintegración alfa de los átomos más pesados (> 106 u de peso atómico). Cuando un átomo emite una partícula alfa en la desintegración alfa, el número de masa del átomo 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 debe tener un núcleo atómico de tamaño mínimo que pueda soportarlo. Los núcleos más pequeños que se han encontrado hasta la fecha capaces de emitir alfa son el berilio-8 y los nucleidos más ligeros de telurio (elemento 52), con números de masa entre 104 y 109. La desintegración alfa deja a veces el núcleo en un estado excitado; la emisión de un rayo gamma elimina entonces el exceso de energía.

Mecanismo de producción de 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 es el resultado de la repulsión de Coulomb^[6] entre la partícula alfa y el resto del núcleo, que tienen ambos una carga eléctrica positiva, pero que es mantenida a raya por la fuerza nuclear. En 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 el otro lado).

Sin embargo, el efecto de efecto túnel permite que las alfas escapen aunque no tengan suficiente energía para superar la fuerza nuclear. Esto lo permite la naturaleza ondulatoria de la materia, que permite a la partícula alfa pasar parte de su tiempo en una región tan alejada del núcleo que el potencial de la fuerza electromagnética repulsiva ha compensado totalmente 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 cientos) de fisión ternaria. En este proceso, se producen tres partículas cargadas a partir del evento en lugar de las dos normales, siendo la más pequeña de las partículas cargadas muy probablemente (90% de probabilidad) una partícula alfa. Dichas partículas alfa se denominan "alfa de largo alcance", ya que con su energía típica de 16 MeV, se encuentran a una energía muy superior a la que se produce en la desintegración alfa. La fisión ternaria se produce tanto en la fisión inducida por neutrones (la reacción nuclear que se produce en un reactor nuclear), como cuando los fisionables y fisionables actínidos (es decir, átomos pesados capaces de fisionar) sufren fisión espontánea como forma de desintegración radiactiva. Tanto en la fisión inducida como en la espontánea, las mayores energías disponibles en los núcleos pesados dan lugar a alfas de largo alcance de mayor energía que las procedentes de la desintegración alfa.

Aceleradores

Los núcleos energéticos de helio (iones de helio) pueden ser producidos por ciclotróns, sincrotróns y otros aceleradores de partículas. La convención es que no suelen denominarse "partículas alfa".

Reacciones del núcleo solar

Los núcleos de helio pueden participar en reacciones nucleares en las estrellas, y ocasionalmente e históricamente se han denominado reacciones alfa (véase, por ejemplo, el proceso triple 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 los rayos cósmicos siguen siendo objeto de debate.

Energía y absorción

La energía de la partícula alfa emitida en la desintegración alfa depende ligeramente de la vida media del proceso de emisión, con diferencias de muchos órdenes de magnitud en la vida media que se asocian con cambios de energía de menos del 50%, mostrados por la ley de Geiger-Nuttall.

La energía de las partículas alfa emitidas varía, siendo las partículas alfa de mayor energía las emitidas por núcleos más grandes, pero la mayoría de las partículas alfa tienen energías de entre 3 y 7 MeV (mega-electrón-voltios), 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 núclidos específicos como en la espectrometría alfa.

Con una energía cinética típica de 5 MeV; la velocidad de las partículas alfa emitidas es de 15 000 km/s, que es el 5% de la velocidad de la luz. Esta energía es una cantidad sustancial de energía para una sola partícula, pero su elevada masa hace que las partículas alfa tengan una velocidad inferior a la de cualquier otro tipo de radiación común, por ejemplo, partículas beta, radiación por neutrones.^[8]

Debido a su carga y a su gran masa, las partículas alfa son fácilmente absorbidas por los materiales, y pueden viajar solo unos centímetros en el aire. Pueden ser absorbidas por el papel tisú o por las capas externas de la piel humana. Suelen penetrar en 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 para penetrar las capas externas de la piel, las partículas alfa no son, en general, peligrosas para la vida a menos que la fuente se ingiera o inhale.^[9] Debido a esta alta masa y fuerte absorción, si los radionucleidos emisores 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 el ionizante más fuerte y, con dosis suficientemente grandes, puede causar cualquiera o todos los síntomas del envenenamiento por radiación. Se estima que en el cromosoma, el daño de las partículas alfa es de 10 a 1000 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 que la eficacia biológica relativa es de 20, el potencial carcinogénico (en términos de cáncer de pulmón) de la radiación alfa parece ser consistente con el reportado para dosis de la radiación gamma externa, es decir, una dosis determinada de partículas alfa inhaladas, presenta el mismo riesgo que una dosis 20 veces mayor de radiación gamma.^[10] El poderoso emisor alfa polonio 210 (un miligramo de ²¹⁰Po emite tantas partículas alfa por segundo como 4215 gramos de ²²⁶Ra sospecha que Ra ) desempeña un papel en el cáncer de pulmón y el cáncer de vejiga relacionados con el tabaquismo.^[11] ²¹⁰Po se utilizó para matar al disidente ruso y ex oficial del FSB Alexander V. Litvinenko en 2006.^[12]

Cuando se ingieren isótopos emisores de partículas alfa, estos son mucho más peligrosos de lo que sugiere su vida media o tasa de desintegración, debido a la alta efectividad biológica relativa de la radiación alfa para causar daño biológico. La radiación alfa es en promedio unas 20 veces más peligrosa, y en experimentos con emisores alfa inhalados, hasta 1000 veces más peligrosa que una actividad equivalente de radioisótopos emisores beta o emisores gamma.^[13]

Partícula antialfa

En 2011, los miembros de la colaboración internacional STAR que utilizan el acelerador relativista de iones pesados en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos, detectaron la pareja de antimateria del núcleo de helio, también conocida como antialfa.^[14]^[15]

El experimento utilizó iones de oro que se movían casi a la velocidad de la luz y colisionaban frontalmente para producir la antipartícula.^[16]

Aplicaciones

Algunos detectores de humo contienen una pequeña cantidad del emisor alfa americio-241. Las partículas alfa ionizan el aire dentro de un pequeño espacio. Una pequeña corriente pasa a través de ese aire ionizado. Las partículas de humo procedentes del fuego que entran en el hueco de aire reducen el flujo de corriente, haciendo sonar la alarma. El isótopo es extremadamente peligroso si se inhala o se ingiere, pero el peligro es mínimo si la fuente se mantiene sellada. Muchos municipios han establecido programas de recogida y eliminación de detectores de humo viejos, para mantenerlos fuera del flujo de residuos general.
La desintegración alfa puede proporcionar una fuente de energía segura para el generador termoeléctrico de radioisótopos utilizados en las sondas espaciales y en los marcapasos artificiales. La desintegración alfa es mucho más fácil de blindar 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.
Eliminadores de estática suelen utilizar polonio-210, un emisor alfa, para ionizar el aire, permitiendo que la "adherencia estática" se disipe más rápidamente.
Actualmente, los investigadores están intentando utilizar la naturaleza dañina de los radionucleidos emisores alfa dentro del cuerpo dirigiendo pequeñas cantidades hacia un tumor.

Véase también

Portal:Física. Contenido relacionado con Física.

Notas

↑ Darling, David. «Partícula Alfa». Enciclopedia de la Ciencia. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2010. Consultado el 7 de diciembre de 2010.
↑ Rutherford distinguished and named α and β rays on page 116 of: E. Rutherford (1899) "Uranium radiation and the electrical conduction produced by it," Philosophical Magazine, Series 5, vol. 47, no. 284, pages 109-163. Rutherford named γ rays on page 177 of: E. Rutherford (1903) "The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium," Philosophical Magazine, Series 6, vol. 5, no. 26, pages 177-187.
↑ Los cronogramas de la ciencia, página 411
↑ E. Rutherford y T. Royds (1908) "Spectrum of the radium emanation", Philosophical Magazine, Serie 6, vol. 16, páginas 313-317.
↑ Revista "energía nuclear" (III/18 (203) edición especial, Volumen 10, Número 2 /1967.
↑ Krane, Kenneth S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. pp. 246–269. ISBN 978-0-471-80553-3.
↑ Firestone, Richard B. (1999). Table of isotopes. Coral M. Baglin (8th ed., 1999 update with CD-ROM edición). New York: Wiley. ISBN 0-471-35633-6. OCLC 43118182.
↑ N.B. Dado que los rayos gamma son electromagnéticos (luz) se mueven a la velocidad de la luz (c). Las partículas beta a menudo se mueven a una gran fracción de c, y superan el 60% c siempre que su energía sea > 64 keV, lo cual es común. La velocidad de los neutrones en las reacciones nucleares oscila entre un 6% c para la fisión y un 17% c para la fusión.
↑ Christensen, D. M.; Iddins, C. J.; Sugarman, S. L. (2014). «Ionizing radiation injuries and illnesses». Emergency Medicine Clinics of North America 32 (1): 245-65. PMID 24275177. doi:10.1016/j.emc.2013.10.002.
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↑ «Erratum». Nature 475 (7356): 412. 2011. S2CID 4359058. arXiv:1103.3312. doi:10.1038/nature10264.
↑ «Antihelium-4: Physicists nab new record for heaviest antimatter». PhysOrg. 24 de abril de 2011. Consultado el 15 de noviembre de 2011.

Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Partícula alfa.
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre rayos alfa.
La Tabla de nucleídos LiveChart con filtro en desintegración alfa- IAEA en Java o HTML

Datos: Q103517
Multimedia: Alpha particles / Q103517

[1] Darling, David. «Partícula Alfa». Enciclopedia de la Ciencia. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2010. Consultado el 7 de diciembre de 2010.

[2] Rutherford distinguished and named α and β rays on page 116 of: E. Rutherford (1899) "Uranium radiation and the electrical conduction produced by it," Philosophical Magazine, Series 5, vol. 47, no. 284, pages 109-163. Rutherford named γ rays on page 177 of: E. Rutherford (1903) "The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium," Philosophical Magazine, Series 6, vol. 5, no. 26, pages 177-187.

[3] Los cronogramas de la ciencia, página 411

[4] E. Rutherford y T. Royds (1908) "Spectrum of the radium emanation", Philosophical Magazine, Serie 6, vol. 16, páginas 313-317.

[5] Revista "energía nuclear" (III/18 (203) edición especial, Volumen 10, Número 2 /1967.

[Krane-6] Krane, Kenneth S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. pp. 246–269. ISBN 978-0-471-80553-3.

[7] Firestone, Richard B. (1999). Table of isotopes. Coral M. Baglin (8th ed., 1999 update with CD-ROM edición). New York: Wiley. ISBN 0-471-35633-6. OCLC 43118182.

[8] N.B. Dado que los rayos gamma son electromagnéticos (luz) se mueven a la velocidad de la luz (c). Las partículas beta a menudo se mueven a una gran fracción de c, y superan el 60% c siempre que su energía sea > 64 keV, lo cual es común. La velocidad de los neutrones en las reacciones nucleares oscila entre un 6% c para la fisión y un 17% c para la fusión.

[Christensen2014-9] Christensen, D. M.; Iddins, C. J.; Sugarman, S. L. (2014). «Ionizing radiation injuries and illnesses». Emergency Medicine Clinics of North America 32 (1): 245-65. PMID 24275177. doi:10.1016/j.emc.2013.10.002.

[10] Grellier, James (2017). «Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides». Epidemiology 28 (5): 675-684. PMC 5540354. PMID 28520643. doi:10.1097/EDE.0000000000000684.

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[12] Cowell, Alan (24 de noviembre de 2006). «Radiation Poisoning Killed Ex-Russian Spy». The New York Times. Consultado el 15 de septiembre de 2011.

[LittleKennedy1985-13] Little, John B.; Kennedy, Ann R.; McGandy, Robert B. (1985). «Effect of Dose Rate on the Induction of Experimental Lung Cancer in Hamsters by α Radiation». Radiation Research 103 (2): 293-9. Bibcode:1985RadR..103..293L. JSTOR 3576584. PMID 4023181. doi:10.2307/3576584.

[14] Agakishiev, H.; et al. (STAR collaboration) (2011). «Observation of the antimatter helium-4 nucleus». Nature 473 (7347): 353-6. Bibcode:2011Natur.473..353S. PMID 21516103. S2CID 118484566. arXiv:1103.3312. doi:10.1038/nature10079.

[15] «Erratum». Nature 475 (7356): 412. 2011. S2CID 4359058. arXiv:1103.3312. doi:10.1038/nature10264.

[16] «Antihelium-4: Physicists nab new record for heaviest antimatter». PhysOrg. 24 de abril de 2011. Consultado el 15 de noviembre de 2011.

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