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 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 otra parte, una partícula alfa 5 MeV atado en un potencial nuclear así es capaz de túnel que misma barrera 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 beta o desintegración β representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de la partícula beta. Esta transición ( β – decaimiento ) puede ser caracterizado como:
Si un núcleo emite una partícula beta, pierde un electrón (o positrón). En este caso, el número de masa del núcleo hijo sigue siendo el mismo, pero el núcleo hijo formará un elemento diferente.
Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma . Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. Existen las siguientes formas de desintegración beta:
- Decadencia beta negativa – Decadencia de electrones. En la descomposición de electrones, un núcleo rico en neutrones emite un electrón de alta energía (β – partículas). Los electrones están cargados negativamente de partículas casi sin masa Debido a la ley de conservación de la carga eléctrica, la carga nuclear debe aumentar en una unidad. En este caso, el proceso puede ser representado por:
- Decaimiento Beta Positivo – Positron Decay. En la descomposición de positrones, un núcleo rico en protones emite un positrón (los positrones son antipartículas de electrones y tienen la misma masa que los electrones pero carga eléctrica positiva), y por lo tanto reduce la carga nuclear en una unidad. En este caso, el proceso puede representarse mediante: Una aniquilación ocurre cuando un positrón de baja energía colisiona con un electrón de baja energía.
- Decadencia beta inversa: captura de electrones . La captura de electrones , conocida también como desintegración beta inversa, a veces se incluye como un tipo de desintegración beta, porque el proceso nuclear básico, mediado por la interacción débil, es el mismo. En este proceso, un núcleo rico en protones también puede reducir su carga nuclear en una unidad al absorber un electrón atómico.
Teoría de la descomposición beta: interacción débil
La desintegración beta se rige por la interacción débil . Durante una desintegración beta de los dos abajo quarks se transforma en un quark arriba emitiendo un W – Higgs (se lleva una carga negativa). El W – Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso, en el que un neutrino interactúa con un neutrón.
Como se puede ver en la figura, la interacción débil cambia un sabor de quark a otro. Tenga en cuenta que, el modelo estándar cuenta seis sabores de quarks y seis sabores de leptones. La interacción débil es el único proceso en el que un quark puede cambiar a otro quark, o un leptón a otro leptón (cambio de sabor). Ni la interacción fuerte ni electromagnéticapermitir el cambio de sabor. Este hecho es crucial en muchas desintegraciones de partículas nucleares. En el proceso de fusión, que, por ejemplo, alimenta al Sol, dos protones interactúan a través de la fuerza débil para formar un núcleo de deuterio, que reacciona aún más para generar helio. Sin la interacción débil, el diprotón se descompondría en dos protones no unidos de hidrógeno-1 a través de la emisión de protones. Como resultado, el sol no ardería sin él ya que la interacción débil causa la transmutación p -> n.
A diferencia de la desintegración alfa , ni la partícula beta ni su neutrino asociado existen dentro del núcleo antes de la desintegración beta, sino que se crean en el proceso de desintegración. Mediante este proceso, los átomos inestables obtienen una relación más estable de protones a neutrones. La probabilidad de descomposición de un nucleido debido a beta y otras formas de descomposición está determinada por su energía de unión nuclear. Para que la emisión de electrones o positrones sea energéticamente posible, la liberación de energía (ver más abajo) o el valor Q debe ser positivo.
Espectro de energía de la decadencia beta
Tanto en la desintegración alfa como en la gamma , la partícula resultante (partícula alfa o fotón ) tiene una distribución de energía estrecha , ya que la partícula transporta la energía de la diferencia entre los estados nucleares inicial y final. Por ejemplo, en caso de alfa decaimiento, cuando un núcleo padre se descompone espontáneamente para producir un núcleo hijo y una partícula alfa, la suma de la masa de los dos productos no bastante igual a la masa del núcleo original (véase la misa Defecto ) . Como resultado de la ley de conservación de la energía, esta diferencia aparece en la forma de la energía cinética de la partícula alfa.. Dado que las mismas partículas aparecen como productos en cada descomposición de un núcleo principal particular, la diferencia de masa siempre debe ser la misma , y la energía cinética de las partículas alfa también debe ser siempre la misma. En otras palabras, el haz de partículas alfa debe ser monoenergético .
Se esperaba que las mismas consideraciones se mantenga durante un núcleo matriz romper a un núcleo hijo y una partícula beta . Debido a que sólo el electrón y el núcleo hijo retroceso eran desintegración beta observada, el proceso fue inicialmente supone que es un proceso de dos cuerpo , muy parecido alfa decadencia. Parece razonable suponer que las partículas beta formarían también un haz monoenergético .
Para demostrar la energética de la desintegración beta de dos cuerpos, considere la desintegración beta en el cual se emite un electrón y el núcleo padre está en reposo, c onservation de la energía requiere:
Como el electrón es una partícula mucho más liviana, se esperaba que se llevaría la mayor parte de la energía liberada, lo que tendría un valor único T e- .
Pero la realidad era diferente . Sin embargo, el espectro de partículas beta medido por Lise Meitner y Otto Hahn en 1911 y por Jean Danysz en 1913 mostró múltiples líneas sobre un fondo difuso. Por otra parte la práctica totalidad de las partículas beta emitidas tienen energías por debajo de lo predicho por la conservación de la energía en las desintegraciones de dos cuerpos. Los electrones emitidos en la desintegración beta tienen un continuo en lugar de un espectro discreto apareció a la conservación de la energía se contradicen, bajo el supuesto actual en ese momento que la desintegración beta es el simple emisión de un electrón de un núcleo. Cuando esto fue observado por primera vez, que parecía amenazar la supervivencia de una de las más importantes leyes de conservación en la física !
Para dar cuenta de esta liberación de energía, Pauli propuso (en 1931) que se emitiera en el proceso de descomposición otra partícula , más tarde nombrada por Fermi el neutrino . Estaba claro, esta partícula debe ser altamente penetrante y que la conservación de la carga eléctrica requiere que el neutrino sea eléctricamente neutro. Esto explicaría por qué fue tan difícil detectar esta partícula. El término neutrino proviene del italiano que significa «pequeño neutral» y los neutrinos se denotan con la letra griega ν (nu) . En el proceso de desintegración beta, el neutrino transporta la energía faltante y también en este proceso la ley de conservación de la energía sigue siendo válida .
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