Desintegración alfa

Desintegración alfa.

La desintegración alfa o decaimiento alfa es una variante de desintegración radiactiva por la cual un núcleo atómico emite una partícula alfa y se convierte en un núcleo con cuatro unidades menos de número másico y dos unidades menos de número atómico.

Se le puede considerar emisión espontánea de núcleos de helio 4 (⁴He²⁺) —en adelante partículas α— a partir de núcleos de átomos más pesados, mediante un proceso de fisión nuclear espontánea. Este tipo de desintegración es típico únicamente de los núcleos atómicos muy pesados.

El telurio 106 (¹⁰⁶Te) es el isótopo más ligero en el cual ocurre desintegración alfa en la naturaleza. Artificialmente, el berilio 8 (⁸Be) se desintegra en dos partículas alfa, en el proceso triple alfa, esencial para generación de carbono 12 (¹²C) en el interior de las estrellas.

La secuencia de este fenómeno de desintegración se representa mediante la ecuación siguiente:

${}_{Z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;{}_{Z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+}\;=\;_{Z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+\;\alpha$.

Con el uranio 238, por ejemplo:

${}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\;\to \;{}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\;+\;\alpha$

La primera ecuación no está equilibrada eléctricamente. Empero, en la mayoría de los casos el núcleo resultante pierde rápidamente dos electrones en favor de la partícula alfa y se convierte en un átomo de (⁴He), eléctricamente neutro.

Por esta razón, en la mayoría de los casos, cuando existe mineral de alto contenido de uno o más elementos radiactivos, en sus alrededores, por la vía de decaimiento alfa, se forman bolsas de ⁴He.

Todo el helio existente en la Tierra se origina mediante desintegración alfa de elementos radiactivos. Debido a esto suele encontrarse en depósitos minerales ricos en uranio o en torio. Así mismo se obtiene como subproducto en pozos de extracción de gas natural.

El espectro propio de la desintegración es discreto: en un estudio espectroscópico pueden observarse picos en energías identificables con las propias del proceso de decaimiento.

El rango de energías a los que los núcleos emiten las partículas, $E_{\alpha }$, puede circunscribirse a 2 MeV $<E_{\alpha }<$ 9 MeV (megavoltios electrónicos o megaelectronvoltios).

Proceso de decaimiento de un núcleo

Potencial que afecta a una partícula alfa en las proximidades del núcleo.

El núcleo atómico es la parte central del átomo. Está formado por protones y neutrones, unidos entre si por la interacción fuerte, la cual permite que el núcleo se mantenga estable pese a la repulsión electrostática entre los protones. La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece.

La partícula α, de energía $m_{\alpha }c^{2}=3727,378$ MeV, es una de las más estables. Por tanto puede existir como tal en la estructura del núcleo pesado. La energía cinética típica de las partículas alfa resultantes de la desintegración es del orden de 5 MeV (≈0,13% de su energía total). Su velocidad es de 15 000 km/s.

Se puede imaginar este fenómeno como una partícula α atrapada en un pozo de potencial cuántico generado por el resto de nucleones del átomo, donde el potencial coulombiano más allá del radio del átomo es dominante.

Clásicamente, si la energía, E, de la partícula alfa fuese superior a la energía potencial, V(r), de la barrera de potencial, siendo r el radio nuclear, aquélla escaparía. Pero, normalmente, la partícula no puede escapar del átomo, ya que debe superar la barrera coulombiana, y se limitaría a rebotar dentro del núcleo.

La explicación del fenómeno fue la confirmación del efecto túnel, predicho en la mecánica cuántica y planteado por George Gamow.

Toxicidad

Al ser relativamente pesadas y cargadas positivamente, el recorrido libre medio de las partículas alfa es muy corto, y a poca distancia de la fuente pierden rápidamente su energía cinética. La consecuencia de esto es que en una zona pequeña se deposita gran cantidad de energía (del orden de un MeV) y, en caso de contaminación interna, incrementa el riesgo de daño celular.

En general la radiación alfa externa no es peligrosa: pocos centímetros de aire o la delgada capa de piel muerta de una persona absorben las partículas. Tocar una fuente α suele no ser dañino, pero -según sea la cantidad incorporada al organismo- su ingestión, inhalación o introducción en el cuerpo pueden serlo.

La principal fuente natural de radiación alfa que nos afecta en la corteza terrestre es el radón, gas radiactivo existente en el suelo, el agua, el aire y varios tipos de rocas. Al inhalar este gas, algunos de sus productos de desintegración quedan atrapados en los pulmones.

A su vez, estos productos continúan desintegrándose y emitiendo partículas alfa, que pueden dañar las células pulmonares.

Probablemente la causa de la muerte de Marie Curie -a los 66 años, por leucemia- haya sido una exposición prolongada a altas dosis de radiación ionizante. Trabajó frecuentemente con radio, que decae en radón, y a su vez se desintegra en otros elementos radiactivos emisores de rayos beta y gamma.

Se sabe que para el asesinato del disidente ruso Alexander Litvinenko, en 2006, se utilizó ²¹⁰Po, que es un radioisótopo emisor alfa.

Referencias

Bibliografía

• Eisberg, Robert Resnick, Robert (1994). Física cuántica: Átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas. México D.F.: Limusa. 968-18-0419-8, 978-9681804190. 

• Antonio Ferrer Soria. Físico nuclear y de partículas. Universidad de Valencia. 

Véase también

• Desintegración beta
• Fisión nuclear
• Efecto túnel