O que é Alpha Decay – Alpha Radioactivity – Definição

Decaimento alfa ou decaimento α representa a desintegração de um núcleo pai para uma filha através da emissão do núcleo de um átomo de hélio. Decaimento alfa é um processo de tunelamento quântico. Para ser emitida, a partícula alfa deve penetrar em uma barreira potencial. Dosimetria de Radiação

Decaimento alfa  (ou decaimento α e também 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:

Decaimento Alfa - Radioatividade Alfa

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 por seus caminhos curtos.

Deterioração de urânio 238.Na prática, esse modo de decaimento só foi observado 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 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.

decaimento alfa - tunelamento quânticoEm 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 de 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 mais partículas alfa 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:

Lei de Geiger-Nuttall - equação

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

Leis de Conservação em Decaimento Alfa

Ao analisar as reações nucleares , aplicamos as muitas leis de conservação . As reações nucleares estão sujeitas às leis clássicas de conservação de carga, momento, momento angular e energia (incluindo energias de repouso). Leis de conservação adicionais, não previstas pela física clássica, são:

Certas leis são obedecidas em todas as circunstâncias, outras não. Aceitamos a conservação de energia e momento. Em todos os exemplos dados, assumimos que o número de prótons e o número de nêutrons são conservados separadamente. Encontraremos circunstâncias e condições nas quais essa regra não é verdadeira. Onde estamos considerando reações nucleares não relativísticas, é essencialmente verdade. No entanto, quando estivermos considerando energias nucleares relativísticas ou aquelas que envolvem interações fracas, descobriremos que esses princípios devem ser estendidos.

Alguns princípios de conservação surgiram de considerações teóricas, outros são apenas relações empíricas. Não obstante, qualquer reação que não seja expressamente proibida pelas leis de conservação geralmente ocorrerá, se talvez a um ritmo lento. Essa expectativa é baseada na mecânica quântica. A menos que a barreira entre os estados inicial e final seja infinitamente alta, sempre há uma probabilidade diferente de zero de que um sistema faça a transição entre eles.

Para fins de análise de reações não relativísticas, basta observar quatro das leis fundamentais que governam essas reações.

  1. Conservação de núcleons . O número total de núcleons antes e depois de uma reação é o mesmo.
  2. Conservação de carga . A soma das cargas em todas as partículas antes e depois de uma reação é a mesma
  3. Conservação do momento . O momento total das partículas que interagem antes e depois de uma reação é o mesmo.
  4. Conservação de energia . A energia, incluindo a energia restante da massa, é conservada em reações nucleares.

Referência: Lamarsh, John R. Introdução à engenharia nuclear 2ª edição

Decaimento alfa – valor Q

Na física nuclear e de partículas, a energia das reações nucleares é determinada pelo valor Q dessa reação. O valor Q da reação é definido como a diferença entre a soma das massas em repouso dos reagentes iniciais e a soma das massas dos produtos finais , em unidades de energia (geralmente em MeV).

Considere uma reação típica, na qual o projétil ae o alvo A dão lugar a dois produtos, B e b. Isto também pode ser expresso na notação que foi utilizado até agora, a + A → B + b , ou mesmo em uma notação mais compacta, A (a, b) B .

Veja também: E = mc2

valor Q desta reação é dado por:

Q = [ma + mA – (mb + mB)] c 2

Ao descrever o decaimento alfa (uma reação sem projétil), o núcleo desintegrante é geralmente chamado de núcleo pai e o núcleo remanescente após o evento como núcleo filha. A massa total de repouso do núcleo filha e da radiação nuclear liberada em uma desintegração alfa, m Filha + m Radiação , é sempre menor que a do núcleo pai, m pai . A diferença massa-energia,

Q = [m pai – (m Filha + m Radiação )] c 2

aparece como a energia de desintegração liberada no processo. Por exemplo, o valor Q do decaimento alfa típico é:

decaimento alfa - valor q - exemplo

A energia de desintegração de cerca de 5 MeV é a energia cinética típica da partícula alfa. Para cumprir a lei de conservação do momento, a maior parte da energia de desintegração deve aparecer como energia cinética da partícula alfa. Após uma deterioração alfa ou beta, o núcleo da filha geralmente fica em um estado de energia excitado. Para se estabilizar, emite subseqüentemente fótons de alta energia, raios γ.

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