O decaimento alfa (ou decaimento α e também a radioatividade alfa ) representa a desintegração de um núcleo parental para 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. Partículas alfa são núcleos energéticos de hélio . As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. Eles viajam apenas alguns centímetros, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos.
Na prática, esse modo de decaimento foi observado apenas em nuclídeos consideravelmente mais pesados que o níquel, com os emissores alfa mais leves conhecidos sendo os isótopos mais leves (números de massa 106–110) de telúrio (elemento 52). Nos reatores nucleares, o decaimento alfa ocorre, por exemplo, no combustível (decaimento alfa de núcleos pesados). As partículas alfa são comumente emitidas por todos os núcleos radioativos pesados que ocorrem na natureza ( urânio , tório ou rádio), bem como pelos elementos transurânicos (neptúnio, plutônio ou amerício).
Teoria do Decaimento Alfa – Tunelamento Quântico
Entre a variedade de canais em que um núcleo decai, o decaimento alfa tem sido um dos mais estudados. O canal de decaimento alfa em núcleos pesados e super pesados forneceu informações sobre as propriedades fundamentais de núcleos distantes da estabilidade, como suas energias no estado fundamental e a estrutura de seus níveis nucleares.
O 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 de entrada 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 capacidade de penetração 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 das energias 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.
Decaimento beta ou decaimento β representa a desintegração de um núcleo parental para uma filha através da emissão da partícula beta. Essa transição ( β – decaimento ) pode ser caracterizada como:
Se um núcleo emite uma partícula beta, perde um elétron (ou pósitron). Nesse caso, o número de massa do núcleo filha permanece o mesmo, mas o núcleo filha formará um elemento diferente.
As partículas beta são elétrons ou pósitrons de alta energia e alta velocidade emitidos por certos tipos de núcleos radioativos, como o potássio-40. As partículas beta têm maior alcance de penetração do que as partículas alfa, mas ainda muito menos que os raios gama . As partículas beta emitidas são uma forma de radiação ionizante, também conhecida como raios beta. Existem as seguintes formas de decaimento beta:
- Decaimento beta negativo – Decaimento de elétrons. No decaimento de elétrons, um núcleo rico em nêutrons emite um elétron de alta energia (β – partícula). Os elétrons são carregados negativamente com partículas quase sem massa. Devido à lei de conservação da carga elétrica, a carga nuclear deve aumentar em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por:
- Decaimento beta positivo – Decaimento de pósitrons. No decaimento de pósitrons, um núcleo rico em prótons emite um pósitron (os pósitrons são antipartículas de elétrons e têm a mesma massa que os elétrons, mas com carga elétrica positiva) e, assim, reduzem a carga nuclear em uma unidade. Nesse caso, o processo pode ser representado por: Uma aniquilação ocorre quando um pósitron de baixa energia colide com um elétron de baixa energia.
- Decaimento Beta Inverso – Captura de Elétrons . A captura de elétrons , também conhecida como decaimento beta inverso, às vezes é incluída como um tipo de decaimento beta, porque o processo nuclear básico, mediado pela interação fraca, é o mesmo. Nesse processo, um núcleo rico em prótons também pode reduzir sua carga nuclear em uma unidade absorvendo um elétron atômico.
Teoria da deterioração beta – interação fraca
A deterioração beta é governada pela interação fraca . Durante um decaimento beta de dois para baixo quarks muda para um quark-se emitindo um W – Higgs (transporta para longe uma carga negativa). O W – Higgs depois decai para uma partícula beta e um antineutrino . Esse processo é equivalente ao processo no qual um neutrino interage com um nêutron.
Como pode ser visto na figura, a interação fraca muda um sabor de quark para outro. Observe que, o Modelo Padrão conta seis sabores de quarks e seis sabores de leptons. A interação fraca é o único processo no qual um quark pode mudar para outro, ou um lepton para outro lepton (mudança de sabor). Nem a forte interação nem eletromagnéticapermitir mudança de sabor. Este fato é crucial em muitos decaimentos de partículas nucleares. No processo de fusão, que, por exemplo, alimenta o Sol, dois prótons interagem através da força fraca para formar um núcleo de deutério, que reage ainda mais para gerar hélio. Sem a interação fraca, o diproton decairia novamente em dois prótons não ligados a hidrogênio-1 através da emissão de prótons. Como resultado, o sol não queimaria sem ele, pois a interação fraca causa a transmutação p -> n.
Ao contrário do decaimento alfa , nem a partícula beta nem seu neutrino associado existem dentro do núcleo antes do decaimento beta, mas são criados no processo de decaimento. Por esse processo, átomos instáveis obtêm uma proporção mais estável de prótons e nêutrons. A probabilidade de decaimento de um nuclídeo devido a beta e outras formas de decaimento é determinada por sua energia de ligação nuclear. Para que a emissão de elétrons ou pósitrons seja energeticamente possível, a liberação de energia (veja abaixo) ou o valor Q deve ser positivo.
Espectro de energia da deterioração beta
Tanto no decaimento alfa quanto no gama , a partícula resultante (partícula alfa ou fóton ) tem uma distribuição de energia estreita , uma vez que a partícula carrega a energia da diferença entre os estados nucleares inicial e final. Por exemplo, no caso de decaimento alfa, quando um núcleo pai se decompõe espontaneamente para produzir um núcleo filha e uma partícula alfa, a soma da massa dos dois produtos não é igual à massa do núcleo original (consulte Defeito em massa ) . Como resultado da lei de conservação de energia, essa diferença aparece na forma da energia cinética da partícula alfa. Como as mesmas partículas aparecem como produtos a cada quebra de um núcleo pai em particular, a diferença de massa deve sempre ser a mesma e a energia cinética das partículas alfa também deve sempre ser a mesma. Em outras palavras, o feixe de partículas alfa deve ser monoenergético .
Esperava-se que as mesmas considerações fossem válidas para um núcleo pai se decompor em um núcleo filha e uma partícula beta . Como apenas o elétron e o núcleo da filha que recuava foram observados com decaimento beta, o processo foi inicialmente assumido como sendo um processo de dois corpos , muito parecido com o decaimento alfa. Parece razoável supor que as partículas beta também formem um feixe monoenergético .
Para demonstrar a energética do corpo de dois decaimento beta, considerar o decaimento beta no qual um electrão é emitido e o núcleo pai está em repouso, c onservation de energia requer:
Como o elétron é uma partícula muito mais leve, esperava-se que ele levasse a maior parte da energia liberada, o que teria um valor único T e- .
Mas a realidade era diferente . O espectro de partículas beta medido por Lise Meitner e Otto Hahn em 1911 e por Jean Danysz em 1913 mostrou várias linhas em um fundo difuso, no entanto. Além disso, virtualmente todas as partículas beta emitidas possuem energia abaixo da prevista pela conservação de energia em decaimentos de dois corpos. Os elétrons emitidos no decaimento beta têm um espectro contínuo, em vez de discreto, que parece contradizer a conservação de energia, sob a suposição atual de que o decaimento beta é a simples emissão de elétrons de um núcleo. Quando isso foi observado pela primeira vez, parecia ameaçar a sobrevivência de uma das leis de conservação mais importantes da física !
Para explicar essa liberação de energia, Pauli propôs (em 1931) que no processo de decaimento fosse emitida outra partícula , mais tarde nomeada por Fermi como neutrino . Ficou claro que essa partícula deve ser altamente penetrante e que a conservação da carga elétrica exige que o neutrino seja eletricamente neutro. Isso explicaria por que era tão difícil detectar essa partícula. O termo neutrino vem do italiano que significa “pouco neutro” e os neutrinos são denotados pela letra grega ν (nu) . No processo de decaimento beta, o neutrino carrega a energia que falta e também nesse processo a lei de conservação de energia permanece válida .
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