¿Cómo es posible la radiación alfa?

Question

La radiación alfa parecería ocurrir cuando un par de protones y neutrones son mágicamente arrancados del núcleo amorfo (es decir, sin una estructura particular) de un átomo más pesado.

Algunos de los problemas asociados con este enfoque, pero que convenientemente son ignorados, incluyen:

• ¿Qué sucede con el par de electrones asociados con los protones eliminados? ¿Se crea un anión?
• ¿Cómo puede una partícula alfa cargada positivamente pasar a través de orbitales electrónicos densamente poblados sin perturbarlos o interactuar con ellos?
• ¿Por qué solo cuatro nucleones se separan del núcleo - ¿es esto algún tipo de número mágico? ¿Por qué no 1 nucleón (un átomo de hidrógeno o un neutrón), 2 nucleones (por ejemplo, deuterio), o 3 (por ejemplo, helio-3) etc.?

Debido a los problemas con los electrones orbitales, es bastante difícil encontrar un diagrama que muestre exactamente cómo se lleva a cabo el proceso de radiación alfa. La mayoría de los diagramas simplemente ignoran la existencia de los electrones orbitales; algunos los muestran, pero de manera excesivamente simplista y poco convincente (ver figura inferior abajo).

Answer 1

Definitivamente no es el caso de que la nube de electrones esté indisturbada. El proceso es bastante violento a escala del átomo que experimenta la emisión alfa.

La nube de electrones se excita por el proceso de emisión de la partícula alfa, por lo que el ion restante no está en su estado base. Además, el núcleo restante también recibe cierto retroceso de la partícula alfa, lo que también contribuye a la perturbación de la nube de electrones. Esta perturbación puede llevar de hecho a que algunos electrones sean eyectados del ion.

Por ejemplo, aquí hay un artículo de 1975 que informa sobre la "sacudida" de electrones de los núcleos de polonio-210 durante la desintegración alfa a plomo-206. El experimento observó partículas alfa simultáneas, electrones emitidos y rayos X del llenado del "hueco" en la nube de electrones del plomo. Los resultados actuales más precisos sugieren que se eyectan alrededor de diez o quince electrones por millón de desintegraciones alfa del polonio.

Por qué usualmente se "ignora convenientemente" es porque la química rara vez es de interés al discutir física nuclear.

Answer 2

Lo que sucede con los electrones generalmente se ignora porque no tiene incidencia en lo que sucede con los núcleos atómicos. Para cuando puedan ocurrir interacciones con los electrones, el núcleo ya se ha separado. Dos electrones pueden acompañar a la partícula alfa para formar un átomo de helio, o el estado final puede ser un par de iones, o algún número de electrones pueden desprenderse y ir a otro lugar. De todas maneras, tienen poco efecto en la partícula alfa y típicamente el enfoque de atención y estudio relacionado con la radiación alfa se centra en la partícula alfa u otros núcleos atómicos.

En cuanto a por qué específicamente es una partícula alfa la que se separa del núcleo:

Un núcleo atómico es estable porque su composición y disposición forman un estado de energía mínima local. Si el núcleo fuera un objeto a escala macro, la mecánica clásica requeriría que, para que cambie, como por ejemplo emitiendo algún número de nucleones separados, primero debe ganar suficiente energía para salir de ese mínimo local y cruzar un pico energético local cercano en su camino hacia un mínimo local nuevo y diferente. Sin embargo, un núcleo atómico es lo suficientemente pequeño como para que la mecánica cuántica tenga efectos relevantes, y el túnel cuántico permite a los nucleones saltar aleatoriamente este pico en ocasiones.

Incluso con el túnel cuántico, sin embargo, la energía sigue conservándose, por lo que el estado final tiene la misma energía total que el estado inicial. La energía del núcleo grande restante, más la energía de la(s) partícula(s) emitida(s), por lo tanto, no debe ser mayor que la energía inicial del núcleo pre-emisión.

Una partícula alfa tiene una cantidad excepcionalmente baja de energía para la cantidad de nucleones que contiene, y emitir una también tiene un efecto mínimo en la proporción de protones a neutrones en el núcleo restante. Estos factores combinados hacen que la energía total de un estado final de emisión alfa sea lo suficientemente baja como para ser alcanzable desde el estado base del núcleo sin violar la conservación de energía.

Teóricamente, podría ser posible emitir un protón, neutrón, deuterio, tritio o un núcleo de helio-3, pero requeriría un estado inicial de energía más alto. Estos estados de alta energía en el núcleo generalmente solo ocurren cuando otra partícula choca con el núcleo, y las fuerzas electromagnéticas tienden a evitar eso en entornos terrestres normales.

Answer 3

Estas son exactamente las mismas preguntas con las que luché cuando era joven, pero las respuestas son bastante simples.

1. ¿Qué sucede con los dos electrones:

De hecho, muchos más que solo 2 electrones se involucran.

Piensa en la escala de energía de la desintegración alfa (unos pocos MeV) y la escala de energía de la unión entre los electrones externos y el núcleo (unos pocos eV). Una sola partícula alfa puede expulsar a millones de electrones de sus átomos de origen antes de que se enfríe lo suficiente para pensar en sus propios electrones. Así es como se detectan las partículas alfa, por la gran cantidad de iones que crean.

El núcleo que emite la partícula alfa recibe un retroceso suficiente no solo para perder una gran cantidad de sus propios electrones, sino también para dejar una pequeña traza ionizada propia.

La escala de energía también está vinculada a la escala de tiempo. Los electrones se reagrupan alrededor de los nuevos núcleos (incluida la partícula alfa) mucho, mucho más tarde.

2. ¿Cómo la partícula alfa logra escapar del átomo?

Mira de nuevo la escala de energía. Si llega a interactuar con un electrón del átomo padre, la única posible consecuencia es que el electrón también sea expulsado, lo que no ralentiza mucho a la partícula alfa.

3. ¿Por qué solo cuatro nucleones?

Bueno, no siempre. Se sabe que diferentes isótopos emiten electrones o positrones (ver desintegración beta), neutrones (ver línea de goteo de neutrones), protones (ver línea de goteo de protones), partículas alfa (que ya conoces) así como núcleos más pesados hasta dividir aproximadamente a la mitad el núcleo original (ver fisión nuclear).

Cuál de estos mecanismos ocurrirá depende principalmente de la energía total (masa) del núcleo en descomposición y de los posibles productos de descomposición.

La partícula alfa es bastante fácil de emitir porque tiene una energía de unión bastante alta, es decir, tiene mucha menos energía que sus nucleones constituyentes cuando están separados.

A veces, cuando se consideran las energías involucradas, más de un modo de descomposición es posible. Realmente suceden (a diferentes tasas). En el mundo cuántico, si un proceso es posible, es obligatorio.

Con un acelerador de partículas (y paciencia, y detectores adecuados), uno puede expulsar cualquier partícula que desee de un núcleo, incluidos, pero no limitados a, deutrones, He-3 y similares.

4. Conjunto no estructurado de nucleones

Enfoque completamente incorrecto. El núcleo está bastante estructurado: los protones y neutrones (separadamente) ocupan orbitales muy similares a los electrones. Incluso se les llama s,p,d,f, al igual que los orbitales electrónicos.

Los nucleones son esféricos... en cierto sentido. Los quarks en su interior tienen sus propios orbitales. Probablemente de tipo s porque en los nucleones tenemos como máximo 2 quarks del mismo tipo.

Answer 4

1. Los dos electrones correspondientes quedan atrás, por lo que el átomo se convierte en un ion después de emitir una partícula alfa.
2. La interacción fuerte con su rango finito forma un pozo de potencial en el potencial de Coulomb alrededor del núcleo. La radiación alfa puede pasar a través de la pared debido al túnel cuántico, incluso si su energía es inferior a la de la pared.
3. Una partícula alfa tiene una energía de unión relativamente alta de $28.511\;\mathrm{MeV}$.

Answer 5

Las partículas alfa dejan un ion atrás. Sin embargo, es el proceso nuclear en lugar del proceso de ionización el que se estudia. Cuando una partícula alfa pasa cerca de un orbital de electrones, es probable que realmente tome ese electrón. Esa es una propiedad importante de las partículas alfa: son muy electronegativas y tienden a tomar cualquier electrón cerca de ellas.

Pero, ¿por qué son núcleos de Helio? ¿Por qué no de Oxígeno?

De hecho, se debe a la estabilidad del núcleo de Helio. Si el átomo perdiera un núcleo de Litio, este núcleo se desharía de dos protones para volverse más estable, de modo que terminas con una partícula alfa.