Tipos de desintegración radiactiva: alfa, beta, gamma

​Radioactivoes una palabra que no se entiende muy bien. Abrumado por el miedo y aparentemente ajeno y peligroso, la naturaleza de la desintegración radiactiva es algo que vale la pena aprender, ya sea que sea un estudiante de física o simplemente un lego interesado.

La realidad es que la radiactividad describe esencialmente reacciones nucleares que conducen a un cambio en el número atómico de un elemento y / o una liberación de radiación gamma. Es peligroso en grandes cantidades porque la radiación liberada es "ionizante" (es decir, tiene suficiente energía para quitar los electrones de los átomos). pero es un fenómeno físico interesante y, en la práctica, la mayoría de las personas nunca estarán lo suficientemente cerca de materiales radiactivos como para estar en riesgo.

Los núcleos pueden alcanzar un estado de menor energía por fusión, que es cuando dos núcleos se fusionan para crear un estado más pesado. núcleo, liberando energía en el proceso - o por fisión, que es la división de elementos pesados ​​en más ligeros unos. La fisión es la fuente de energía en los reactores nucleares, y también en las armas nucleares, y esto en particular es lo que la mayoría de la gente imagina cuando piensa en la radiactividad. Pero la mayoría de las veces, cuando los núcleos cambian a un estado de menor energía en la naturaleza, se debe a la desintegración radiactiva.

Hay tres tipos de desintegración radiactiva: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma, aunque la desintegración beta en sí misma se presenta en tres tipos diferentes. Aprender sobre estas formas de desintegración nuclear es una parte crucial de cualquier curso de física nuclear.

La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo emite lo que se llama una "partícula alfa" (partícula α). Una partícula alfa es una combinación de dos protones y dos neutrones, que si conoces tu tabla periódica reconocerás como un núcleo de helio.

El proceso es bastante fácil de entender en términos de masa y propiedades del átomo resultante: pierde cuatro de su número de masa (dos de los protones y dos de los electrones) y dos de su número atómico (de los dos protones perdió). Esto significa que el átomo original (es decir, el núcleo "padre") se convierte en un elemento diferente (basado en el núcleo "hijo") después de sufrir la desintegración alfa.

Al calcular la energía liberada en la desintegración alfa, debe restar la masa del núcleo de helio y la átomo hijo de la masa del átomo padre, y conviértalo en un valor de energía utilizando el famoso ecuaciónmi​ = ​mc​². Por lo general, es más fácil realizar este cálculo si trabaja en unidades de masa atómica (uma) y multiplica la masa faltante por el factorC​² = 931,494 MeV / amu. Esto devuelve un valor de energía en MeV (es decir, mega electronvoltios), siendo un electronvoltio igual a 1,602 × 10⁻⁹ julios y generalmente una unidad más conveniente para trabajar en energías a escala atómica.

Dado que la desintegración beta tiene tres variedades diferentes, es útil aprender sobre cada una de ellas, aunque existen muchas similitudes entre ellas. La desintegración beta-plus ocurre cuando un protón se convierte en un neutrón, con la liberación de una partícula beta-plus (es decir, una partícula β +) junto con una partícula sin carga y casi sin masa llamada neutrino. Como resultado de este proceso, el átomo hijo tendrá un protón menos y un neutrón más que el átomo padre, pero el mismo número total de masa.

La partícula beta-plus en realidad se llama positrón, que es la partícula de antimateria correspondiente al electrón. Tiene una carga positiva del mismo tamaño que la carga negativa del electrón y la misma masa que un electrón. El neutrino liberado se denomina técnicamente neutrino electrónico. Observe que en este proceso se liberan una partícula de materia regular y una partícula de antimateria.

Calcular la energía liberada en este proceso de desintegración es un poco más complicado que para otras formas de decaimiento, porque la masa del átomo padre incluirá la masa de un electrón más que la masa del átomo hijo masa. Además de esto, también debe restar la masa de la partícula β + que se emite en el proceso. Esencialmente, tienes que restar la masa de la partícula hija ydoselectrones de la masa de la partícula madre y luego se convierten en energía como antes. El neutrino es tan pequeño que se puede descuidar con seguridad.

La desintegración beta-menos es esencialmente el proceso opuesto a la desintegración beta-más, donde un neutrón se convierte en un protón, liberando una partícula beta-menos (una partícula β-) y un antineutrino electrónico en el proceso. Debido a este proceso, el átomo hijo tendrá un neutrón menos y un protón más que el átomo padre.

La partícula β− es en realidad un electrón, pero tiene un nombre diferente en este contexto porque cuando se descubrió por primera vez la emisión beta de la desintegración, nadie sabía qué era realmente la partícula. Además, llamarlas partículas beta es útil porque te recuerda que proviene del proceso de desintegración beta y puede ser útil cuando estás tratando de recordar lo que sucede en cada uno: la partícula beta positiva se libera en desintegración beta-más y la partícula beta negativa se libera en beta-menos decaer. En este caso, sin embargo, el neutrino es una partícula de antimateria, pero nuevamente, una antimateria y una partícula de materia regular se liberan en el proceso.

Calcular la energía liberada en este tipo de desintegración beta es un poco más simple, porque el electrón extra que posee el átomo hijo se cancela con el electrón perdido en la emisión beta. Esto significa que para calcular ∆metro, simplemente resta la masa del átomo hijo de la del átomo padre y luego multiplica por la velocidad de la luz al cuadrado (C​²), como antes, expresado en mega electronvoltios por unidad de masa atómica.

El último tipo de desintegración beta es bastante diferente de los dos primeros. En la captura de electrones, un protón "absorbe" un electrón y se convierte en un neutrón, con la liberación de un neutrino electrónico. Por lo tanto, esto reduce el número atómico (es decir, el número de protones) en uno y aumenta el número de neutrones en uno.

Esto podría parecer que viola el patrón hasta ahora, con la emisión de una materia y una partícula de antimateria, pero da una pista sobre la razón real de este equilibrio. El "número de leptones" (que se puede considerar como un número de "familia de electrones") se conserva, y un electrón o El neutrino electrónico tiene un número de leptones de 1, mientras que el antineutrino de positrones o electrón tiene un número de leptones de −1.

Debería poder ver que todos los demás procesos cumplen con esto fácilmente. Para la captura de electrones, el número de leptones disminuye en 1 cuando se captura el electrón, por lo que para equilibrar esto, se debe emitir una partícula con un número de leptones de 1.

Calcular la energía liberada en la captura de electrones es bastante simple: debido a que el electrón proviene del átomo padre, no necesita preocuparse por tener en cuenta la diferencia en la cantidad de electrones entre el padre y la hija átomos. Usted encuentra ∆metrosimplemente restando la masa del átomo hijo de la del átomo padre. La expresión para el proceso generalmente se escribirá con el electrón en el lado izquierdo, pero la regla simple le recuerda que esto es en realidad parte del átomo padre en términos de masa.

La desintegración gamma implica la emisión de un fotón de alta energía (radiación electromagnética), pero la cantidad de protones y neutrones en el átomo no cambia como resultado del proceso. Es análogo a la emisión de un fotón cuando un electrón pasa de un estado de mayor energía a un estado de menor energía, pero la transición en este caso tiene lugar en el núcleo del átomo.

Al igual que en la situación análoga, la transición de un estado de mayor energía a un estado de menor energía se compensa con la emisión de un fotón. Estos tienen energías superiores a 10 keV y generalmente se denominan rayos gamma, aunque la definición no es realmente estricta (el rango de energía se superpone con los rayos X, por ejemplo).

La emisión alfa o beta puede dejar un núcleo en un estado excitado de mayor energía, y la energía liberada como resultado de estos procesos se realiza en forma de rayos gamma. Sin embargo, el núcleo también puede terminar en un estado de mayor energía después de chocar con otro núcleo o ser golpeado por un neutrón. El resultado en todos los casos es el mismo: el núcleo cae de su estado excitado a un estado de menor energía y libera rayos gamma en el proceso.

El uranio-238 se desintegra en torio-234 con la liberación de una partícula alfa (es decir, un núcleo de helio), y este es uno de los ejemplos más conocidos de desintegración radiactiva. El proceso se puede representar como:

Para calcular cuánta energía se libera en este proceso, necesitará las masas atómicas: ²³⁸U = 238,05079 uma, ²³⁴Th = 234.04363 amu y ⁴He = 4.00260 amu, con todas las masas expresadas en unidades de masa atómica. Ahora, para calcular cuánta energía se libera en el proceso, todo lo que necesita hacer es encontrar ∆metrorestando las masas de los productos de la masa del átomo padre original, y luego calcula la cantidad de energía que esto representa.

La desintegración radiactiva a menudo ocurre en cadenas, con múltiples pasos entre el punto de inicio y el punto final. Estas cadenas de desintegración son largas y requerirían muchos pasos para calcular cuánta energía se libera en todo el proceso, pero tomar una parte de una de esas cadenas ilustra el enfoque.

Si observa la cadena de desintegración del torio-232, cerca del final de la cadena, un núcleo inestable (es decir, un átomo de un isótopo inestable, con una vida media corta) del bismuto-212 sufre una desintegración beta-menos en polonio-212, que luego experimenta una desintegración alfa en plomo-208, un isótopo. Puede calcular la energía liberada en este proceso llevándolo paso a paso.

Primero, la desintegración beta-menos del bismuto-212 (metro= 211,99129 amu) en polonio-212 (metro= 211,98887 amu) da:

Recordando que el cambio en el número de electrones se cancela en la desintegración beta menos. Eso libera:

La siguiente etapa es la desintegración alfa del polonio-212 al plomo-208 (metro= 207,97665 amu) y un núcleo de helio.

Y la energía es:

En total, entonces, hay 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV de energía liberada en el proceso. Por supuesto, si tiene cuidado (incluida la partícula alfa y electrones adicionales si su proceso incluye una desintegración beta-plus), puede calcular la diferencia de masa en un solo paso y luego convertir, pero este enfoque le dice la energía liberada en cada etapa.