La desintegración alfa (o desintegración α y también la radiactividad alfa ) representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio. Esta transición puede caracterizarse como:
Como se puede ver en la figura, la partícula alfa se emite en descomposición alfa. Las partículas alfa son núcleos energéticos de helio . Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Las partículas alfa son relativamente grandes y tienen una carga positiva doble. No son muy penetrantes y un trozo de papel puede detenerlos. Viajan solo unos pocos centímetros pero depositan todas sus energías a lo largo de sus cortos caminos.
En la práctica, este modo de descomposición solo se ha observado en nucleidos considerablemente más pesados que el níquel, siendo los emisores alfa más ligeros conocidos los isótopos más ligeros (números de masa 106-110) de teluro (elemento 52). En los reactores nucleares, la descomposición alfa ocurre, por ejemplo, en el combustible (descomposición alfa de núcleos pesados). Las partículas alfa son emitidas comúnmente por todos los núcleos radiactivos pesados que se encuentran en la naturaleza ( uranio , torio o radio), así como los elementos transuránicos (neptunio, plutonio o americio).
Teoría de la descomposición alfa – Túnel cuántico
Entre la variedad de canales en los que se desintegra un núcleo, la desintegración alfa ha sido uno de los más estudiados. El canal de desintegración alfa en los núcleos pesados y superpesados ha proporcionado información sobre las propiedades fundamentales de los núcleos lejos de la estabilidad, como sus energías de estado fundamental y la estructura de sus niveles nucleares.
La desintegración alfa es un proceso de túnel cuántico . Para ser emitida, la partícula alfa debe penetrar una barrera potencial. Esto es similar a la descomposición de los conglomerados , en el que un núcleo atómico emite un pequeño «conglomerado» de neutrones y protones (por ejemplo, 12 C).
La altura de la barrera de Coulomb para los núcleos de A «200 es de aproximadamente 20-25 MeV . Las partículas alfa emitidas en la desintegración nuclear tienen energías típicas de aproximadamente 5 MeV. Por un lado, una partícula alfa de 5 MeV entrante se dispersa desde un núcleo pesado y no puede penetrar la barrera de Coulomb y acercarse lo suficiente al núcleo para interactuar a través de la fuerza fuerte. Por otro lado, una partícula alfa de 5 MeV unida en un pozo de potencial nuclear es capaz de tunelizar esa misma barrera de Coulomb.
En 1928, George Gamow (e independientemente por Ronald Gurney y Edward Condon ) había resuelto la teoría de la desintegración alfa a través del túnel cuántico.. Asumieron que la partícula alfa y el núcleo hijo existen dentro del núcleo padre antes de su disociación, es decir, la descomposición de los estados cuasiestacionarios (QS). Un estado cuasiestacionario se define como un estado de larga vida que eventualmente decae. Inicialmente, el grupo alfa oscila en el potencial del núcleo hijo, y el potencial de Coulomb impide su separación. La partícula alfa queda atrapada en un pozo potencial por el núcleo. Clásicamente, está prohibido escapar, pero de acuerdo con los (entonces) recién descubiertos principios de la mecánica cuántica, tiene una probabilidad pequeña (pero no nula) de «hacer un túnel» a través de la barrera y aparecer en el otro lado para escapar del núcleo . Utilizando el mecanismo de túnel, Gamow, Condon y Gurney calcularon la penetrabilidad de la partícula α de túnel a través de la barrera de Coulomb, Encontrar las vidas de algunos núcleos emisores α. El principal éxito de este modelo fue la reproducción de la ley semi-empírica de Geiger-Nuttall que expresa las vidas de los emisores α en términos de las energías de las partículas α liberadas. Cabe señalar que otras formas comunes de desintegración (por ejemplo, desintegración beta) se rigen por la interacción entre la fuerza nuclear y la fuerza electromagnética.
Referencia especial: WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Clarendon Press; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467.
La desintegración gamma o la desintegración γ representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de rayos gamma (fotones de alta energía). Esta transición ( desintegración γ ) puede caracterizarse como:
Como se puede ver, si un núcleo emite un rayo gamma, los números atómicos y en masa del núcleo hijo siguen siendo los mismos, pero el núcleo hijo formará un estado de energía diferente del mismo elemento. Tenga en cuenta que los nucleidos con igual número de protones e igual número de masa (haciéndolos, por definición, el mismo isótopo), pero en un estado de energía diferente se conocen como isómeros nucleares. Por lo general, indicamos isómeros con un superíndice m, por lo tanto: 241m Am o 110m Ag.
En la mayoría de las fuentes prácticas de laboratorio, los estados nucleares excitados se crean en la desintegración de un radionúclido original, por lo tanto, una desintegración gamma generalmente acompaña a otras formas de desintegración , como la desintegración alfa o beta. Típicamente después de una desintegración beta (transición isobárica), los núcleos generalmente contienen demasiada energía para estar en su estado estable o secundario final.
Los rayos gamma son fotones de alta energía con longitudes de onda muy cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. Los rayos gamma de la desintegración radiactiva están en el rango de energía de unos pocos keV a ~ 8 MeV, lo que corresponde a los niveles de energía típicos en los núcleos con una vida útil razonablemente larga. Como se escribió, se producen por la descomposición de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo. Dado que los rayos gamma son en sustancia solo fotones de muy alta energía, son materia muy penetrante y, por lo tanto, biológicamente peligrosos. Los rayos gamma pueden viajar miles de pies en el aire y pueden pasar fácilmente a través del cuerpo humano.
A diferencia de la radiactividad alfa y beta , la radioactividad gamma se rige por una interacción electromagnética en lugar de una interacción débil o fuerte . Al igual que en las transiciones atómicas, el fotón se lleva al menos una unidad de momento angular (el fotón, descrito por el campo electromagnético del vector, tiene un momento angular de giro de ħ), y el proceso conserva la paridad .
Referencia especial: WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Clarendon Press; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467.
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