Partícula alfa

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A emissão alfa , desintegração alfa ou decaimento alfa é uma forma de decaimento radioativo que ocorre quando um núcleo atômico instável emite uma partícula alfa transformando-se em outro núcleo atômico com número atômico duas unidades menor e número de massa 4 unidades menor. A emissão alfa, portanto, é composta da mesma estrutura de núcleos do átomo de hélio. Uma emissão alfa é igual a um núcleo de hélio, que por sua vez, um núcleo atômico de hélio contém em seu interior dois prótons e dois nêutrons e a diferença entre a emissão alfa e o átomo de hélio é que na emissão alfa ela tem dois elétrons retirados da eletrosfera. Portanto, a partícula alfa tem carga positiva +2 (em unidades atômicas de carga) e 4 unidades de massa atómica.

Visão Geral[editar | editar código-fonte]

A emissão alfa , desintegração alfa ou decaimento alfa é uma forma de decaimento radioativo que ocorre quando um núcleo atômico instável emite uma partícula alfa transformando-se em outro núcleo atômico com número atômico duas unidades menor e número de massa 4 unidades menor.

Por exemplo:


{}^2{}^{38}_{92}\hbox{U}\;\to\;{}^2{}^{34}_{90}\hbox{Th}\;+\;{}^4_2\hbox{He},

que também pode ser escrito assim:


{}^{238}\hbox{U}\;\to\;^{234}\hbox{Th}\;+\;\alpha.

A partícula alfa é um núcleo de um átomo de hélio. Portanto, a partícula alfa ou “raio alfa’’ é um íon de carga 2+ com dois nêutrons e dois prótons, representado por 4He2+.

As partículas alfa apresentam grande poder de ionização devido a sua carga. No entanto, seu poder de penetração é inferior ao da partícula beta, dos raios-X e dos raios gama.

Na altura em que foi descoberta a emissão do rádio 226 (1898), por Marie Curie e Pierre Curie, chamou-se ao fenómeno radioactividade \alpha ou emissão \alpha.

Às partículas emitidas deu-se o nome de partículas \alpha apenas por ser a primeira letra do alfabeto grego.

Posteriormente, verificou-se que essas partículas eram um núcleo de hélio, formado por 2 protóns e 2 nêutrons. As partículas \alpha emitidas apresentam energias bem definidas e podem ser utilizadas para caracterizar o núcleo de onde provêm.

História[editar | editar código-fonte]

Em 1896, o físico francês Antoine Henri Becquerel, em seus estudos sobre substâncias fosforescentes, verificou que compostos de urânio, causavam manchas escuras em chapas fotográficas, e mais tarde pode evidenciar que a radiação emitida pelo composto de urânio não era devida ao fenômeno de fosforescência e sim devido a radiação invisível emitida pelo composto de urânio, ou seja, o composto de urânio tinha uma atividade própria para emitir “raios” invisíveis. E a partir de 1898, o estudo da radioatividade começou realmente a se desenvolver e outros elementos radioativos foram descobertos, inclusive o rádio, de onde veio o nome “radioativo”.

Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas.

Ao desintegrar-se, os átomos dos elementos radioativos emitem energia na forma de radiação. A descoberta da radiação trouxe o conhecimento da existência das partículas subatômicas: os prótons e nêutrons (que compõem o núcleo do átomo) e os elétrons que se movimentam a altas velocidades.

Um elemento radioativo, por exemplo, o rádio, (Ra), emitindo radiação entre duas chapas metálicas, uma carregada positivamente e outra carregada negativamente, de forma que a radiação entre no campo entre as chapas na forma de um feixe, tem sua radiação dividida em três partes conforme abaixo:

A radiação verde corresponde ao raio gama, a amarela corresponde à radiação beta e a radiação vermelha é referente à radiação alfa. Podemos notar a partícula alfa é a que sofre o maior desvio.

A radiação alfa foi atraída pela placa negativa. Ela possui carga elétrica positiva (por esta razão é atraída pela placa negativa) e pôde ser verificado mais tarde que ela é formada por dois prótons e dois nêutrons, como o núcleo do elemento Hélio (He). Estas partículas liberadas possuem alta energia cinética, ou seja, alta “energia de movimento”, pois o núcleo, além de liberar os prótons e nêutrons, também libera energia, na forma de energia cinética das partículas. No entanto, essas partículas possuem baixo poder de penetração. Em razão de ter massa e carga elétrica maiores que o raios beta e gama, o raio alfa é a radiação menos penetrante, podendo ser bloqueada por uma folha de papel, portanto é a menos perigosa, desde que não haja o contato com o organismo. Se isso ocorrer, o raio alfa pode causar sérias lesões.

O átomo do qual a partícula alfa sai também sofre uma alteração significativa. Isso porque as propriedades químicas dos átomos são determinadas pelo número de prótons existentes no núcleo. Dessa forma, ao emitir uma partícula alfa, o átomo perde dois prótons, e assim passa a se comportar de forma diferente em termos químicos, ou seja, de suas combinações com outros átomos para formar compostos.

Propriedades[editar | editar código-fonte]

As partículas \alpha são núcleos e e têm uma interação forte com a matéria, sendo rapidamente absorvidas.

A partícula \alpha escapa do núcleo com uma maior freqüência do que outros núcleos menores, como o deutério, devido a sua energia de ligação (\scriptstyle E_{\alpha}\approx 28 MeV, ou \scriptstyle 7 MeV por cada núcleo), comparando-se com o deutéron, \scriptstyle Ed \approx 2 MeV. O Tunelamento Quântico é uma teoria capaz de explicar este fenômeno[1]

O decaimento alfa tem uma propriedade de decrescer o número atômico de massa A por 4 unidades. Assim, os produtos de uma cadeia de decaimentos alfa terão produtos cujas suas massas atômicas se diferenciam por 4 unidades. Temos 4 séries radioativas:


  • 1ª Série é dada pelos núcleos com número atômico divisível

por 4 e que, decaíndo, perdem uma partícula alfa e ficam na mesma série.

  • 2ª Série Núcleos com número atômico dado por A = 4n + 1.
  • 3ª Série Núcleos com número atômico dado por A = 4n + 2.
  • 4ª Série Núcleos com número atômico dado por A = 4n + 3.

Na tabela , são mostradas essas séries. O Neptúnio já não pode mais ser encontrado na natureza, uma vez que seu tempo de vida é cerca de 10^{10} anos.Porém, podendo ser fabricado em laboratório.[2]

Núcleos também podem se desintegrar de dois modos.O bismuto (Bi) desintegra-se em uma taxa de 66,3% emitindo radiação \beta e 33,7% emitindo partículas \alpha. A cadeia de desintegração ramifica-se assim: Um dos isótopos do rádio tem uma meia-vida de 5 horas.

Cadeia de Desintegração

\begin{align}\lambda = \frac{\ln 2}{T_{1/2}} = \frac{0,693}{5 \times 3.600s}
=3,85 \times 10^{-5} \text{seg}^{-1}\end{align}

O produto do decaimento do Urânio é o Tório.O processo dá-se por:

^{238}U \rightarrow^{234}Th + \alpha

A energia cinética com a qual a partícula viaja, tendo a partícula alfa que sai do núcleo atômico provém da diferença de massas de repouso dos dois núcleos inicial e final.

Q=(M_{U} - M_{Th} - m_{\alpha})c^{2}

Olhando a tabela de massas, temos

 Q = (221.697,68 - 217.965,99 - 3.727,41)\text{MeV} = 4,28\text{MeV}

Essa, porém, não é a energia cinética da partícula alfa. Por causa da conservação de momento. O núcleo inicial tem momento nulo. Isto quer dizer que o estado final também tem que ter momento nulo, e portanto, existe um recuo do Th que custa energia, embora seja praticamente imperceptível dada a sua massa. Q é portanto a energia cinética total do sistema, isto é,

Q = \frac{p^2}{2M_{Th}} + \frac{p^2}{2m\alpha}

onde p é o momento da partícula alfa e que é igual ao do átomo de Th.

Colocando em evidência a massa da partícula alfa, temos

Q = \frac{p^2}{2m\alpha}\Bigg(1 + \frac{m\alpha}{M_{Th}}\Bigg) = \frac{p^2}{2m\alpha}\Bigg(1 + \frac{4}{A -4}\Bigg),

ou

\frac{p^2}{2m\alpha} = \frac{Q(A - 4)}{A}

Assim temos

\frac{p^2}{2m\alpha} = \frac{4,28.234}{238}\approx 4,21 \text{MeV}

Taxa de Decaimento[editar | editar código-fonte]

Um modelo de explicação sobre a taxa de decaimento alfa foi proposto por George Gamow, onde se têm uma partícula formada no núcleo atômico com um potencial \scriptstyle V(r) , que combina o seu potencial nuclear entro o núcleo (A-Z,Z-2) e a partícula alfa.[3]

Potencial decaimento alfa

O modelo também nos diz que a partícula alfa a um potencial constante no núcleo e ao potencial de coulomb fora do núcleo de raio R. A probabilidade da partícula espacar do núcleo é dada por P=e, sendo

\gamma=\frac{2}{\hbar}\int_{R}^{a}[2m(V(x)-Q)]^{1/2}dx (Z)

Sendo P a probabilidade da partícula chegar na superfície do núcleo e 1 - P de continuar nele.

Em um modelo semi clássico, multiplicamos a probabilidade do escape pela frequência com que a partícula chega na superfície, temos assim

f\approx\frac{v}{R}

sendo v representando a velocidade com que a partícula alfa se move no núcleo, com isso dá-se a taxa de decaimento \scriptstyle w_\alpha, é

w_\alpha\approx\frac{v}{R}e^{-\gamma}

Calculamos o expoente \scriptstyle\gamma a partir da equação (Z) e fica assim:

V(r)\frac{2Ze^2}{r}

Bibliografia[editar | editar código-fonte]

  • Eisberg, Robert Resnick, Robert (1991), Física cuántica: Átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas, México D.F.: Limusa. 968-18-0419-8.
  • Antonio Ferrer Soria, Física nuclear y de partículas, Universidad de Valencia.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. Feynman; Mathew Sands. Lições de Física de Feynman (em Português). Edição Definitiva, A ed. [S.l.]: Bookman, 2008. 1798 pp. ISBN 9788577802593 Página visitada em 9 de agosto de 2013.
  2. Feynman; Mathew Sands. Lições de Física de Feynman (em Português). Edição Definitiva, A ed. [S.l.]: Bookman, 2008. 1798 pp. ISBN 9788577802593 Página visitada em 9 de agosto de 2013.
  3. K. C. Chung. Introdução à Física Nuclear (em português). 1 ed. [S.l.]: UERJ, 2009. 285 pp. 1 vol. ISBN 9788575110157
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