Partícula alfa

partícula composta por dois prótons e dois nêutrons

A partícula alfa é uma partícula composta por dois prótons e dois nêutrons, tendo a mesma estrutura do núcleo do átomo de hélio e sendo denotada pela letra grega α. Portanto, a partícula alfa possui duas unidades de carga positiva e quatro unidades de massa atômica. É emitida espontaneamente por núcleos de elementos radioativos, com número atômico maior que 82, como urânio, tório, polônio e rádio, no processo de desintegração nuclear conhecido como emissão alfa.[1][2][3]

Ilustração do núcleo de um átomo emitindo uma partícula alfa.

HistóriaEditar

 
Ernest Rutherford.

Em 1898, Ernest Rutherford, então trabalhando nos laboratórios Cavendish, estudava a radiação emitida pelo urânio natural. Fazendo a radiação atravessar folhas de alumínio de espessuras diferentes, chegou à conclusão que essa radiação era constituída de, pelo menos, dois tipos: uma que era rapidamente absorvida, que ele batizou como "alfa" e outra que possuía um poder de penetração maior, que chamou de "beta". Inicialmente, não foi possível esclarecer a natureza dessas radiações.[1][2][4][5]

Em 1902, Rutherford observou que a radiação alfa era defletida por campos elétricos e magnéticos, no sentido contrário à radiação beta (que já se sabia, era constituída de elétrons e, portanto, com carga negativa) e que o grau de deflexão da radiação alfa era muito menor que o da beta. Assim, Rutherford conclui que a radiação alfa era constituída por partículas positivamente carregadas e que eram mais massivas que os elétrons.[1][2][4][5]

Ainda em 1902, Rutherford mostra que, por meio de medidas da razão carga/massa, que a partícula alfa era provavelmente composta por um núcleo de hélio (formado por dois prótons e dois nêutrons).[1][4]

Embora essa e outras evidências experimentais, na época, já mostrassem que a partícula alfa fosse um núcleo de hélio, foi apenas em 1908 que Rutherford e Thomas Royds, demonstraram isso de forma inequívoca. Por meio de um experimento no qual o gás radônio (que é radioativo e emite partículas alfa) foi colocado em um tubo duplo com paredes muito finas, de forma que as partículas alfa atravessassem a primeira parede e, após serem terem sua carga neutralizada, aparecia no segundo tubo o gás hélio, medido através de seu espectro óptico.[4][6]

PropriedadesEditar

Energia do decaimentoEditar

Partículas alfas são emitidas por radionuclídeos com energia variando entre 4 e 10 MeV.[3]

Uma reação nuclear de desintegração alfa pode ser escrita como:[1][3]

 

onde:

  é o núcleo pai com número atômico Z e número de massa A;

  é o núcleo filho resultante, que possui um número de massa 4 vezes menor e um número atômico 2 vezes menor, em função da emissão da partícula alfa ( );

  é a energia cinética total, também conhecida como  .

Essa reação obedece a lei da conservação do momento, portanto, como o núcleo pai tem um momento nulo, o estado final também tem que ter um momento nulo. Para que isso ocorra, o núcleo filho deve sofrer um recuo. Esse recuo é praticamente imperceptível devido a grande massa do núcleo. Dessa forma,   é a energia cinética total do sistema, e está distribuída entre a partícula alfa, o recuo do núcleo filho e, eventualmente, de um raio gama emitido.[1][3]

 

onde:

  é a energia cinética da partícula alfa;

  é a energia cinética de recuo do núcleo filho;

  é a energia perdida como radiação gama, emitida pelo núcleo filho, quando este fica num estado excitado e decai para o estado fundamental.

Para que a emissão da partícula alfa ocorra espontaneamente,   deve ser um número positivo.[1]

 
Decaimento do Am-241 com emissão de uma partícula alfa.

Por exemplo, quando o radionuclídeo amerício 241 emite uma partícula alfa, ele se transforma no nuclídeo filho neptúnio 237 de acordo com a equação:[3]

 

Nesse processo, além do momento, a energia também é conservada, isso significa que a energia liberada é equivalente à perda de massa sofrida pelo radionuclídeo pai (Am-241). Pode-se calcular a energia liberada usando-se a equação Einstein para a equivalência da massa e energia:

 

Assim:

 

Quando as massas são expressas em unidades de massa atômica (u.m.a.), a energia liberada pode ser calculada em MeV e a equação (2) pode ser escrita como:

 

Assim, consultando-se uma tabela de massas dos nuclídeos e ignorando as massas dos elétrons que são muito pequenas e podem ser desprezadas, temos que a equação (3) fica:[3]

 

A energia de 5,638 MeV é maior que quaisquer das energias encontradas em tabelas para as partículas alfa encontradas na desintegração do Am-241, isso ocorre pois, uma parte da energia é usada no recuo do núcleo filho e, eventualmente, em algum raio gama emitido.[3]

Em função do princípios da conservação da energia e do momento, é possível mostrar que é válida a relação:[3]

 

Portanto, pode-se calcular a energia do recuo do núcleo filho, medindo-se a energia da partícula alfa emitida no processo.

Um mesmo tipo de núcleo pode emitir partículas alfa com diferentes energias, gerando um espectro. Isso ocorre porque o núcleo filho pode estar no estado fundamental ou em um estado excitado. Se o núcleo filho está em um estado excitado, ele pode passar para estado fundamental, emitindo radiação eletromagnética (raios gama). Dessa forma, a emissão da partícula alfa pode ser acompanhada pela emissão de um raio gama.[3][7]

Interação com a matériaEditar

A interação das partículas alfa com os átomos é na sua maioria restrita aos elétrons que formam a nuvem eletrônica. Isso ocorre em razão do longo alcance da força elétrica (coulombiana) e da existência de um número muito grande de elétrons na matéria. Como a partícula alfa possui duas unidades de carga, isso torna a interação coulombiana particularmente forte. Dessa forma, uma partícula alfa com uma determinada energia cinética, ao penetrar na matéria vai perdendo essa energia em diversas "colisões" (interações coulombianas).[8]

 
Poder de penetração das radiações alfa, beta e gama.

A grande massa da partícula alfa, facilita a ejeção dos elétrons dos átomos, à medida que ela atravessa a matéria, diretamente por colisão com os elétrons ou passando próximo o suficiente para que a interação coulombiana cause uma ionização. A partícula alfa continua seu caminho sofrendo, na maior parte, uma deflexão desprezível, em função da grande diferença de massas. Assim, ela atravessa a matéria causando milhares de ionizações até sua energia cinética ser completamente dissipada[3][8]

No ar, por exemplo, a energia para criar um íon é, em média, 34,5 eV, assim uma partícula alfa emitida pelo átomo de radônio 222 que possui uma energia de 5,49 MeV, causa 1,59x105 íons.[8]

Dependendo da proximidade do encontro entre a partícula alfa e o elétron de um átomo, a energia cedida pode não ser suficiente para ionizá-lo, mas pode ser capaz de mudá-lo para um estado de energia mais alto. Dependendo do material, o átomo excitado pode voltar ao nível de energia mais baixo e emitir um fóton de luz, como no caso dos materiais fluorescentes.[3][9]

AlcanceEditar

A grande massa e carga da partícula alfa, comparada com outros tipos de radiação, dão a ela um grande poder de ionização, porém, pouca capacidade de penetrar a matéria. No ar, por exemplo, as partículas alfa percorrem alguns centímetros (dependendo da energia inicial da partícula).[3]

Na tabela abaixo, alguns exemplos do alcance da penetração de uma partícula alfa com energia de 5,5 MeV (emitida pelo radionuclídeo amerício 241) para vários materiais (em cm):[3]

Ar Água Papel Alumínio Cobre Ouro
4 cm 0,0048 cm 0,0034 cm 0,0024 cm 0,001 cm 0,00075 cm

Observa-se que a penetração das partículas alfa é muito pequena, é incapaz, por exemplo, de atravessar a pele humana. Deve-se notar que o alcance é menor para materiais mais densos e aumenta com a energia da partícula.[10]

 
Figura 1. Pico de Bragg para partículas alfa no ar.

No caso do ar, e para valores de energia entre 3 e 7 MeV, o valor do alcance pode ser estimado de forma semi-empírica, usando a seguinte expressão:[10]

 

onde:

  é o valor médio do alcance (em cm);

  é a energia da partícula alfa (em MeV).

A deposição da energia da partícula alfa (e dos íons em geral) ao longo do caminho percorrido em um material não é uniforme. Ocorre uma grande densidade de ionizações um pouco antes do final da trajetória, que produz o chamado pico de Bragg, vide figura 1.[9][10][11]

Taxa de decaimentoEditar

A explicação da emissão da partícula alfa apresentava um problema teórico quando se comparava a emissão da partícula alfa por um núcleo com o espalhamento (colisão) da partícula alfa por esse mesmo núcleo.[12]

Por exemplo, Rutherford (em 1927) mostrou que, bombardeando o núcleo do urânio 238 com partículas alfa de 9 MeV, as mesmas eram espalhadas (sofriam uma colisão), indicando a existência de uma barreira de potencial coulombiano como o da figura 2. Porém esse mesmo núcleo, que é radioativo, emitia naturalmente partículas alfa com aproximadamente 4 MeV de energia. Mas para vencer a barreira de potencial (vide figura 2) a alfa precisaria ter no mínimo uma energia superior a 9 MeV.[3][12]

Isso foi resolvido por George Gamow e, independentemente, por Condo e Gurney, usando-se a mecânica quântica, que previa a existência de um "efeito túnel", pelo qual as partículas com energia inferior à barreira poderiam escapar do núcleo.[3][12]

No modelo proposto por Gamow, tem-se uma partícula formada no núcleo atômico com um potencial  , que combina o potencial nuclear entre o núcleo e a partícula alfa.[13] O modelo também nos diz que a partícula alfa enxerga um potencial constante no núcleo e um potencial de coulomb fora do núcleo de raio  , (vide figura 2).

 
Figura 2. Energia potencial V de um núcleo e de uma partícula alfa em função da distância que os separa.

A probabilidade da partícula escapar do núcleo é dada por  , onde:[13]

 

Sendo   a probabilidade da partícula chegar na superfície do núcleo e 1-  de continuar nele. Em um modelo semi clássico, multiplicamos a probabilidade do escape pela frequência   com que a partícula chega na superfície, temos assim:

 

sendo que   representa a velocidade com que a partícula alfa se move no núcleo, com isso dá-se a taxa de decaimento  :

 

Calculamos o expoente   a partir da equação (4) e fica assim:[13]

 

onde:

  é a constante reduzida de Planck;

  é o número atômico do núcleo filho;

  é o número atômico da partícula alfa (2).

Referências

  1. a b c d e f g Okuno, Emico; Yoshimura, Elisabeth (2010). «Cap. 5 - Tipos de decaimento». Física das radiações. São Paulo: Oficina de textos. ISBN 978-85-7975-005-2 
  2. a b c Okuno, Emico (1988). «Cap. 2 - História das radiações». Radiação: efeitos, riscos e benefícios. São Paulo,SP-Brasil: Harbra 
  3. a b c d e f g h i j k l m n o Michael F. L’Annunziata (2016). «Cap. 4 - Alpha Radiation». Radioactivity. Introduction and History, From the Quantum to Quarks (em inglês) 2ª ed. [S.l.]: Elsevier. ISBN 978-0-444-63489-4 
  4. a b c d «Ernest Rutherford - Nobel Lecture». The Nobel Prize (em inglês). The Nobel Foundation. Consultado em 19 de fevereiro de 2022 
  5. a b Michael F. L’Annunziata (2016). «Cap. 3 - Hall of Fame: Part I». Radioactivity. Introduction and History, From the Quantum to Quarks (em inglês) 2ª ed. [S.l.]: Elsevier. ISBN 978-0-444-63489-4 
  6. Irving Kaplan (1977) [1962]. «Cap. 2 - Atoms, electrons and radiations». Nuclear Physics (em inglês) 2ª ed. [S.l.]: Addison-Wesley Publishing. p. 34. LCCN 62-9402 
  7. J. Palandi,D. B. Figueiredo, J. C.Denardin, P. R. Magnago (2010). «Cap. 9 - Desintegração Radioativa». Física Nuclear (PDF). Santa Maria - RS: Universidade Federal de Santa Maria. p. 23. Consultado em 2 de março de 2022 
  8. a b c Okuno, Emico; Yoshimura, Elisabeth (2010). «Cap. 6 - Interação da radiação». Física das radiações. São Paulo: Oficina de textos. ISBN 978-85-7975-005-2 
  9. a b Knoll, Glenn F. (16 de agosto de 2010). «Cap. 2 - Radiation Interactions». Radiation Detection and Measurement (em inglês). [S.l.]: John Wiley & Sons. ISBN 9780470131480 
  10. a b c Tauhata L., Salati I. P. A., Di Prinzio R., Di Prinzio M. A. R. R. (2014). «Cap. 3.7 - Interação das partículas alfa com a matéria». Radioproteção e dosimetria:fundamentos (PDF) 10 ed. Rio de Janeiro: Comissão Nacional de Energia Nuclear - Instituto de Radioproteção e Dosimetria. ISBN 978-85-67870-02-1. Consultado em 2 de setembro de 2017 
  11. Okuno, Emico; Yoshimura, Elisabeth (2010). «Cap. 7 - Interação de partículas carregadas rápidas com a matéria». Física das radiações. São Paulo: Oficina de textos. ISBN 978-85-7975-005-2 
  12. a b c Irving Kaplan (1977) [1962]. «Cap. 13 - Alpha-Decay». Nuclear Physics (em inglês) 2ª ed. [S.l.]: Addison-Wesley Publishing. p. 329. LCCN 62-9402 
  13. a b c Chung, K. C. (2001). «Cap. 10 - Decaimento alfa». Introdução à física nuclear 1ª ed. Rio de Janeiro: EdUERJ. ISBN 8575110152 

Ver tambémEditar