Partícula alfa

Física nuclear
Fenômenos Átomo exótico Átomo hidrogenoide Barreira de Coulomb Captura eletrônica Captura neutrônica Decaimento Cluster Efeito Mössbauer Efeito Zeeman Emissão protônica Estrutura fina Fotodesintegração Isomeria nuclear Raios Alfa Raios X Radioatividade Radiação beta Radiação Gama Raio catódico Radiação de neutrões Reação nuclear Nível de energia Nucleossíntese
Conceitos Átomo Afinidade eletrônica Camada de valência Carga nuclear efetiva Energia de ligação Espectro Força nuclear Geometria molecular Interação spin-órbita Isospin Partícula subatômica Spin Massa atômica Massa crítica Material físsil Matéria nuclear Nível aberto Núcleo atómico Número atómico Número quântico principal Orbital atômico Raio atómico Temperatura neutrónica
História História da física
Modelos Atômicos Modelo atômico Modelo atômico de Bohr Modelo atômico de Dalton Modelo atômico de Rutherford Modelo atômico de Thomson Modelo da gota líquida Modelo nuclear de camadas
Leis & Equações Fator de Gamow Fórmula de Rydberg Freqüência de Larmor Lei de Moseley Lei Geiger-Nuttal Momento magnético nuclear Parâmetro de impacto Pico de Gamow Proteção magnética nuclear Seção transversal de dispersão Série de Lyman Série de Paschen Série de Humphreys
Experiências Dispersão de Rutherford Espalhamento de Rutherford Experimento de Geiger-Marsden Experiência da gota de óleo Experimento de Stern-Gerlach Grande Colisor de Hádrons Experiências não LHC
Aplicações Armas nucleares Bomba de nêutrons Combustível nuclear Energia nuclear Fissão nuclear Fissão nuclear espontânea Fusão nuclear Reator nuclear Ressonância magnética Relaxação
Físicos Ernest Rutherford Ernest Lawrence Edward Purcell Ernest Walton Enrico Fermi Henri Becquerel Marie Curie J. J. Thomson Otto Hahn Isidor Isaac Rabi Maria Göppert-Mayer

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.

História

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

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

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 massas atômicas se diferenciam por quatro unidades. Temos quatro séries radioativas:

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

por 4 e que, decaindo, 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.

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

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

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

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.

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 de a partícula escapar do núcleo é dada por P=e^-γ, 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:

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

Exemplo

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

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 prótons e 2 nêutrons. As partículas $\alpha$ emitidas apresentam energias bem definidas e podem ser utilizadas para caracterizar o núcleo de onde provêm.

Ver também

• Emissão alfa
• Partícula beta
• Radiação gama

Bibliografia

• 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.