O que é a teoria do decaimento alfa – tunelamento quântico – definição

Teoria do Decaimento Alfa – Tunelamento Quântico

Decaimento alfa  (ou decaimento α e também radioatividade alfa ) representa a desintegração de um núcleo pai a uma filha através da emissão do núcleo de um átomo de hélio. Essa transição pode ser caracterizada como:

Como pode ser visto na figura, a partícula alfa é emitida em decaimento alfa.

Entre a variedade de canais em que um núcleo decai, o decaimento alfa tem sido um dos mais estudados. O canal de decaimento alfa nos núcleos pesados ​​e super pesados ​​forneceu informações sobre as propriedades fundamentais dos núcleos distantes da estabilidade, como suas energias no estado fundamental e a estrutura de seus níveis nucleares.

Decaimento alfa é um processo de tunelamento quântico . Para ser emitida, a partícula alfa deve penetrar em uma barreira potencial. Isso é semelhante ao decaimento de aglomerados , no qual um núcleo atômico emite um pequeno “aglomerado” de nêutrons e prótons (por exemplo, ^{12 °} C).

A altura da barreira de Coulomb para os núcleos de A «200 é de cerca de 20-25 MeV . As partículas alfa emitidas no decaimento nuclear têm energias típicas de cerca de 5 MeV. Por um lado, uma partícula alfa de 5 MeV recebida é espalhada de um núcleo pesado e não pode penetrar na barreira de Coulomb e chegar suficientemente perto do núcleo para interagir através da força forte. Por outro lado, uma partícula alfa de 5 MeV ligada a um poço de potencial nuclear é capaz de encapsular a mesma barreira de Coulomb.

Em 1928, George Gamow (e independentemente por Ronald Gurney e Edward Condon ) havia resolvido a teoria do decaimento alfa via tunelamento quântico. Eles assumiram que a partícula alfa e o núcleo filha existiam dentro do núcleo pai antes de sua dissociação, ou seja, o decaimento dos estados quasistacionários (QS). Um estado quase-estacionário é definido como um estado de vida longa que eventualmente se deteriora. Inicialmente, o cluster alfa oscila no potencial do núcleo filha, com o potencial de Coulomb impedindo sua separação. A partícula alfa está presa em um poço potencial pelo núcleo. Classicamente, é proibido escapar, mas, de acordo com os (então) princípios recém-descobertos da mecânica quântica, há uma pequena (mas não nula) probabilidade de “tunelar” a barreira e aparecer do outro lado para escapar do núcleo. . Usando o mecanismo de tunelamento, Gamow, Condon e Gurney calcularam a penetrabilidade da partícula α do tunelamento através da barreira de Coulomb, encontrar a vida útil de alguns núcleos emissores de α. O principal sucesso desse modelo foi a reprodução da lei semi-empírica de Geiger-Nuttall, que expressa a vida útil dos emissores α em termos de energia das partículas α liberadas. Deve-se notar que outras formas comuns de decaimento (por exemplo, decaimento beta) são governadas pela interação entre a força nuclear e a força eletromagnética.

Referência especial: WSC Williams. Física Nuclear e de Partículas. Clarendon Press; 1 edição, 1991, ISBN: 978-0198520467.

Lei Geiger-Nuttall

A lei Geiger-Nuttall é uma lei semi-empírica que expressa a vida útil (meia-vida) do emissor alfa em termos de energia da partícula alfa liberada. Em outras palavras, afirma que os isótopos de vida curta emitem partículas alfa mais energéticas do que as de vida longa. Esta regra foi formulada por Hans Geiger e John Mitchell Nuttall em 1911 antes do desenvolvimento da formulação teórica. A lei Geiger-Nuttall pode ser matematicamente expressa como:

onde um e b são constantes empíricas que são encontrados a partir de gráficos logarítmicas de dados experimentais. R _α representa a faixa linear da partícula alfa, portanto é uma medida direta da energia cinética da partícula alfa. A largura da ressonância (Γ) está geralmente relacionada ao tempo médio de vida (τ) do núcleo excitado pela relação: Γ = ℏ / τ