Partícula alfa

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Partícula alfa
Alpha Decay.svg
Composição2 prótons, 2 nêutrons
EstatisticasBosônico
Famíliaeu
Símboloα, α 2+ , He 2+
Massa6.644 657 230 (82) × 10 −27  kg [1]

4.001 506 179 127 (63)  u

3,727 379 378 (23)  GeV/ c 2
Carga elétrica2e
Rodar0 [2]

As partículas alfa , também chamadas de raios alfa ou radiação alfa , consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio-4 . Eles geralmente são produzidos no processo de decaimento alfa , mas também podem ser produzidos de outras maneiras. As partículas alfa recebem o nome da primeira letra do alfabeto grego , α . O símbolo para a partícula alfa é α ou α 2+ . Por serem idênticos aos núcleos de hélio, às vezes também são escritos como He2+
ou 4
2
Ele2+
indicando um íon de hélio com carga +2 (sem seus dois elétrons ). Uma vez que o íon ganha elétrons de seu ambiente, a partícula alfa se torna um átomo de hélio normal (eletricamente neutro).4
2
Ele
.

As partículas alfa têm um spin líquido de zero. Devido ao mecanismo de sua produção no decaimento radioativo alfa padrão , as partículas alfa geralmente têm uma energia cinética de cerca de 5  MeV e uma velocidade próxima de 4% da velocidade da luz . (Veja a discussão abaixo para os limites dessas figuras em decaimento alfa.) Eles são uma forma altamente ionizante de radiação de partículas e (quando resultantes de decaimento alfa radioativo ) geralmente têm baixa profundidade de penetração (parada por alguns centímetros de ar , ou por a pele ).

No entanto, as chamadas partículas alfa de longo alcance da fissão ternária são três vezes mais energéticas e penetram três vezes mais. Os núcleos de hélio que formam 10-12% dos raios cósmicos também são geralmente de energia muito mais alta do que aqueles produzidos por processos de decaimento nuclear e, portanto, podem ser altamente penetrantes e capazes de atravessar o corpo humano e também muitos metros de blindagem sólida densa, dependendo em sua energia. Em menor grau, isso também é verdade para núcleos de hélio de alta energia produzidos por aceleradores de partículas.

Nome

Alguns autores científicos usam núcleos de hélio duplamente ionizados ( He2+
) e partículas alfa como termos intercambiáveis. A nomenclatura não está bem definida e, portanto, nem todos os núcleos de hélio de alta velocidade são considerados por todos os autores como partículas alfa. Assim como as partículas/raios beta e gama , o nome usado para a partícula carrega algumas conotações leves sobre seu processo de produção e energia, mas não são aplicadas com rigor. [3] Assim, partículas alfa podem ser usadas livremente como um termo quando se referem a reações de núcleos de hélio estelar (por exemplo, os processos alfa ), e mesmo quando ocorrem como componentes de raios cósmicos . Uma versão de energia mais alta dos alfas do que a produzida no decaimento alfa é um produto comum de umresultado da fissão nuclear chamado fissão ternária . No entanto, os núcleos de hélio produzidos por aceleradores de partículas ( ciclotrons , síncrotrons e semelhantes) são menos propensos a serem referidos como "partículas alfa".

Fontes de partículas alfa

Decaimento alfa

Um físico observa partículas alfa do decaimento de uma fonte de polônio em uma câmara de nuvens
Radiação alfa detectada em uma câmara de nuvens de isopropanol (após a injeção de uma fonte artificial de radônio-220).

A fonte mais conhecida de partículas alfa é o decaimento alfa de átomos mais pesados ​​(> 106 u de peso atômico). Quando um átomo emite uma partícula alfa em decaimento alfa, o número de massa do átomo diminui em quatro devido à perda dos quatro nucleons na partícula alfa. O número atômico do átomo diminui em dois, como resultado da perda de dois prótons – o átomo se torna um novo elemento. Exemplos desse tipo de transmutação nuclear por decaimento alfa são o decaimento do urânio em tório e o de rádio em radônio .

As partículas alfa são comumente emitidas por todos os núcleos radioativos maiores , como urânio , tório , actínio e rádio , bem como os elementos transurânicos . Ao contrário de outros tipos de decaimento, o decaimento alfa como um processo deve ter um núcleo atômico de tamanho mínimo que possa suportá-lo. Os menores núcleos que até hoje foram capazes de emissão alfa são o berílio-8 e os nuclídeos mais leves do telúrio (elemento 52), com números de massa entre 104 e 109. O decaimento alfa às vezes deixa o núcleo em estado excitado; a emissão de um raio gama , em seguida, remove o excessoenergia .

Mecanismo de produção em decaimento alfa

Em contraste com o decaimento beta , as interações fundamentais responsáveis ​​pelo decaimento alfa são um equilíbrio entre a força eletromagnética e a força nuclear . O decaimento alfa resulta da repulsão de Coulomb [2] entre a partícula alfa e o resto do núcleo, ambos com carga elétrica positiva , mas que é controlado pela força nuclear . Na física clássica , as partículas alfa não têm energia suficiente para escapar do poço de potencial . da força forte dentro do núcleo (este poço envolve escapar da força forte para subir um lado do poço, que é seguido pela força eletromagnética causando um empurrão repulsivo para o outro lado).

No entanto, o efeito de tunelamento quântico permite que os alfas escapem, mesmo que não tenham energia suficiente para superar a força nuclear . Isso é permitido pela natureza ondulatória da matéria, que permite que a partícula alfa passe parte de seu tempo em uma região tão distante do núcleo que o potencial da força eletromagnética repulsiva compensou totalmente a atração da força nuclear. A partir deste ponto, as partículas alfa podem escapar.

Fissão ternária

Partículas alfa especialmente energéticas derivadas de um processo nuclear são produzidas no processo de fissão nuclear relativamente raro (uma em algumas centenas) da fissão ternária . Neste processo, três partículas carregadas são produzidas a partir do evento em vez das duas normais, com a menor das partículas carregadas provavelmente (90% de probabilidade) sendo uma partícula alfa. Essas partículas alfa são chamadas de "alfas de longo alcance", já que em sua energia típica de 16 MeV, elas estão em uma energia muito mais alta do que a produzida pelo decaimento alfa. A fissão ternária ocorre tanto na fissão induzida por nêutrons (a reação nuclear que acontece em um reator nuclear), quanto quando actinídeos físseis e físseis nuclídeos (isto é, átomos pesados ​​capazes de fissão) sofrem fissão espontânea como uma forma de decaimento radioativo. Tanto na fissão induzida quanto na espontânea, as energias mais altas disponíveis em núcleos pesados ​​resultam em alfas de longo alcance de energia mais alta do que aqueles do decaimento alfa.

Aceleradores

Os núcleos energéticos de hélio (íons de hélio) podem ser produzidos por ciclotrons , síncrotrons e outros aceleradores de partículas . A convenção é que eles não são normalmente referidos como "partículas alfa".

Reações do núcleo solar

Os núcleos de hélio podem participar de reações nucleares em estrelas e, ocasionalmente e historicamente, essas reações são chamadas de reações alfa (veja, por exemplo , o processo triplo-alfa ).

Raios cósmicos

Além disso, núcleos de hélio de energia extremamente alta, às vezes chamados de partículas alfa, compõem cerca de 10 a 12% dos raios cósmicos . Os mecanismos de produção de raios cósmicos continuam a ser debatidos.

Energia e absorção

Um gráfico de dispersão mostrando 15 exemplos de alguns nuclídeos radioativos com suas principais energias de partículas alfa emitidas plotadas em relação ao seu número atômico.  A faixa de energias é de cerca de 2 a 12 MeV.  O intervalo de números atômicos é de cerca de 50 a 110.
Exemplo de seleção de nuclídeos radioativos com as principais energias de partículas alfa emitidas plotadas em relação ao seu número atômico. [4] Observe que cada nuclídeo tem um espectro alfa distinto .

A energia da partícula alfa emitida no decaimento alfa é levemente dependente da meia-vida para o processo de emissão, com muitas ordens de magnitude de diferenças na meia-vida sendo associadas a mudanças de energia de menos de 50%, mostradas pelo Geiger-Nuttall lei .

A energia das partículas alfa emitidas varia, com partículas alfa de maior energia sendo emitidas de núcleos maiores, mas a maioria das partículas alfa tem energias entre 3 e 7 MeV (mega-elétron-volts), correspondendo a meias-vidas extremamente longas e extremamente curtas de partículas alfa emitidas.  nuclídeos emissores de alfa, respectivamente. As energias e razões são muitas vezes distintas e podem ser usadas para identificar nuclídeos específicos como na espectrometria alfa .

Com uma energia cinética típica de 5 MeV; a velocidade das partículas alfa emitidas é de 15.000 km/s, que é 5% da velocidade da luz. Essa energia é uma quantidade substancial de energia para uma única partícula, mas sua alta massa significa que as partículas alfa têm uma velocidade menor do que qualquer outro tipo comum de radiação, por exemplo , partículas β , nêutrons . [5]

Por causa de sua carga e grande massa, as partículas alfa são facilmente absorvidas pelos materiais e podem viajar apenas alguns centímetros no ar. Eles podem ser absorvidos pelo papel de seda ou pelas camadas externas da pele humana. Eles normalmente penetram na pele cerca de 40  micrômetros , o equivalente a algumas células de profundidade.

Efeitos biológicos

Devido ao curto alcance de absorção e incapacidade de penetrar nas camadas externas da pele, as partículas alfa não são, em geral, perigosas para a vida, a menos que a fonte seja ingerida ou inalada. [6] Por causa dessa alta massa e forte absorção, se os radionuclídeos emissores alfa entrarem no corpo (ao serem inalados, ingeridos ou injetados, como com o uso de Thorotrast para imagens de raios-X de alta qualidade antes da década de 1950) , a radiação alfa é a forma mais destrutiva de radiação ionizante . É o mais fortemente ionizante e, com doses suficientemente grandes, pode causar qualquer ou todos os sintomas de envenenamento por radiação . Estima-se que o cromossomoo dano de partículas alfa é de 10 a 1.000 vezes maior do que o causado por uma quantidade equivalente de radiação gama ou beta, com a média sendo fixada em 20 vezes. Um estudo de trabalhadores nucleares europeus expostos internamente à radiação alfa de plutônio e urânio descobriu que, quando a eficácia biológica relativa é considerada 20, o potencial carcinogênico (em termos de câncer de pulmão) da radiação alfa parece ser consistente com o relatado para doses de radiação gama externa, ou seja, uma determinada dose de partículas alfa inaladas apresenta o mesmo risco que uma dose 20 vezes maior de radiação gama. [7] O poderoso emissor alfa polônio-210 (um miligrama de 210 Po emite tantas partículas alfa por segundo quanto 4,215 gramas de 226Ra ) é suspeito de desempenhar um papel no câncer de pulmão e câncer de bexiga relacionado ao tabagismo . [8] 210 Po foi usado para matar o dissidente russo e ex - oficial do FSB Alexander V. Litvinenko em 2006. [9]

Quando isótopos emissores de partículas alfa são ingeridos, eles são muito mais perigosos do que sua meia-vida ou taxa de decaimento sugeriria, devido à alta eficácia biológica relativa da radiação alfa em causar danos biológicos. A radiação alfa é, em média, cerca de 20 vezes mais perigosa e, em experimentos com emissores alfa inalados, até 1000 vezes mais perigosa [10] do que uma atividade equivalente de radioisótopos emissores beta ou gama .

Histórico de descoberta e uso

A radiação alfa consiste em núcleo de hélio-4 e é prontamente interrompida por uma folha de papel. A radiação beta, consistindo de elétrons , é interrompida por uma placa de alumínio. A radiação gama é eventualmente absorvida à medida que penetra em um material denso. O chumbo é bom para absorver a radiação gama, devido à sua densidade.
Uma partícula alfa é desviada por um campo magnético
Dispersão de partículas alfa em uma folha de metal fina

Em 1899, os físicos Ernest Rutherford (trabalhando na Universidade McGill em Montreal, Canadá) e Paul Villard (trabalhando em Paris) separaram a radiação em três tipos: eventualmente chamada alfa, beta e gama por Rutherford, com base na penetração de objetos e deflexão por um campo magnético. [11] Os raios alfa foram definidos por Rutherford como aqueles que têm a menor penetração de objetos comuns.

O trabalho de Rutherford também incluiu medições da razão entre a massa de uma partícula alfa e sua carga, o que o levou à hipótese de que as partículas alfa eram íons de hélio duplamente carregados (mais tarde mostrados como núcleos de hélio nu). [12] Em 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds finalmente provaram que as partículas alfa eram de fato íons de hélio. [13] Para fazer isso, eles permitiram que partículas alfa penetrassem em uma parede de vidro muito fina de um tubo evacuado, capturando assim um grande número de íons de hélio hipotéticos dentro do tubo. Eles então causaram uma faísca elétricadentro do tubo. O estudo subsequente dos espectros do gás resultante mostrou que era hélio e que as partículas alfa eram de fato os íons de hélio hipotéticos.

Como as partículas alfa ocorrem naturalmente, mas podem ter energia alta o suficiente para participar de uma reação nuclear , o estudo delas levou ao conhecimento inicial da física nuclear . Rutherford usou partículas alfa emitidas por brometo de rádio para inferir que o modelo de pudim de ameixa do átomo de JJ Thomson era fundamentalmente falho. No experimento de folha de ouro de Rutherford conduzido por seus alunos Hans Geiger e Ernest Marsden , um feixe estreito de partículas alfa foi estabelecido, passando por uma folha de ouro muito fina (com algumas centenas de átomos de espessura). As partículas alfa foram detectadas por um sulfeto de zincotela, que emite um flash de luz em uma colisão de partículas alfa. Rutherford levantou a hipótese de que, supondo que o modelo de " pudim de ameixa " do átomo estivesse correto, as partículas alfa carregadas positivamente seriam apenas ligeiramente desviadas, se tanto, pela carga positiva dispersa prevista.

Descobriu-se que algumas das partículas alfa foram desviadas em ângulos muito maiores do que o esperado (por sugestão de Rutherford para verificar) e algumas até ricochetearam quase diretamente de volta. Embora a maioria das partículas alfa tenham passado direto como esperado, Rutherford comentou que as poucas partículas que foram desviadas eram semelhantes a atirar uma concha de quinze polegadas em papel de seda apenas para que ela ricocheteasse, novamente assumindo que a teoria do "pudim de ameixas" estava correta . Foi determinado que a carga positiva do átomo estava concentrada em uma pequena área em seu centro, tornando a carga positiva densa o suficiente para desviar quaisquer partículas alfa carregadas positivamente que se aproximassem do que mais tarde foi chamado de núcleo.

Antes dessa descoberta, não se sabia que as próprias partículas alfa eram núcleos atômicos, nem se conhecia a existência de prótons ou nêutrons. Após essa descoberta, o modelo de "pudim de ameixas" de JJ Thomson foi abandonado, e o experimento de Rutherford levou ao modelo de Bohr e, mais tarde, ao modelo moderno da mecânica ondulatória do átomo.

Perda de energia ( curva de Bragg ) no ar para partículas alfa típicas emitidas por decaimento radioativo.
O traço de uma única partícula alfa obtido pelo físico nuclear Wolfhart Willimczik com sua câmara de faísca feita especialmente para partículas alfa.

Em 1917, Rutherford passou a usar partículas alfa para produzir acidentalmente o que mais tarde ele entendeu como uma transmutação nuclear direcionada de um elemento para outro. A transmutação de elementos de um para outro era entendida desde 1901 como resultado do decaimento radioativo natural , mas quando Rutherford projetou partículas alfa do decaimento alfa no ar, ele descobriu que isso produzia um novo tipo de radiação que provou ser núcleos de hidrogênio (Rutherford chamado esses prótons ). Outras experiências mostraram que os prótons vinham do componente nitrogênio do ar, e a reação foi deduzida como uma transmutação de nitrogênio em oxigênio na reação.

14 N + α → 17 O + p 

Esta foi a primeira reação nuclear descoberta .

Para as imagens ao lado: De acordo com a curva de perda de energia de Bragg, é reconhecível que a partícula alfa realmente perde mais energia no final do traço. [14]

Partícula anti-alfa

Em 2011, membros da colaboração internacional STAR usando o Relativistic Heavy Ion Collider no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA detectaram o parceiro de antimatéria do núcleo de hélio, também conhecido como anti-alfa. [15] O experimento usou íons de ouro movendo-se quase à velocidade da luz e colidindo de frente para produzir a antipartícula. [16]

Aplicativos

  • Alguns detectores de fumaça contêm uma pequena quantidade do emissor alfa amerício-241 . As partículas alfa ionizam o ar dentro de um pequeno espaço. Uma pequena corrente é passada através desse ar ionizado. Partículas de fumaça do fogo que entram no entreferro reduzem o fluxo de corrente, soando o alarme. O isótopo é extremamente perigoso se inalado ou ingerido, mas o perigo é mínimo se a fonte for mantida selada. Muitos municípios estabeleceram programas para coletar e descartar detectores de fumaça antigos, para mantê-los fora do fluxo geral de resíduos.
  • O decaimento alfa pode fornecer uma fonte de energia segura para geradores termoelétricos de radioisótopos usados ​​para sondas espaciais e marcapassos cardíacos artificiais . O decaimento alfa é muito mais facilmente protegido do que outras formas de decaimento radioativo. O plutônio-238 , uma fonte de partículas alfa, requer apenas 2,5 mm de blindagem de chumbo para proteger contra radiação indesejada.
  • Os eliminadores de estática normalmente usam polônio-210 , um emissor alfa, para ionizar o ar, permitindo que a " aderência estática " se dissipe mais rapidamente.
  • Atualmente, os pesquisadores estão tentando usar a natureza prejudicial dos radionuclídeos emissores de alfa dentro do corpo, direcionando pequenas quantidades para um tumor .

Partículas alfa para tratar o câncer

Atualmente, os radionuclídeos emissores de alfa estão sendo usados ​​de três maneiras diferentes para erradicar tumores cancerígenos: como tratamento radioativo infusível direcionado a tecidos específicos (Radium-223), como fonte de radiação inserida diretamente em tumores sólidos (Radium-224) e como uma ligação a uma molécula de direcionamento de tumor, tal como um anticorpo para um antígeno associado a tumor.

Rádio-223

  • O rádio-223 é um emissor alfa que é naturalmente atraído pelo osso porque é um mimético do cálcio . O rádio-223 (na forma de Ra-Cl2) pode ser infundido nas veias de um paciente com câncer, após o que migra para partes do osso onde há uma rápida renovação das células devido à presença de tumores metastatizados.
  • Uma vez dentro do osso, o Ra-223 emite radiação alfa que pode destruir células tumorais a uma distância de 100 mícrons. Um medicamento cujo nome químico é dicloreto de rádio-223 e o nome comercial é Xofigo® está em uso desde 2013 para tratar o câncer de próstata que metastatizou para o osso. [17]
  • Os radionuclídeos infundidos na circulação são capazes de atingir locais acessíveis aos vasos sanguíneos. Isso significa, no entanto, que o interior de um grande tumor que não é vascularizado (ou seja, não é bem penetrado pelos vasos sanguíneos) pode não ser erradicado efetivamente pela radioatividade.

Rádio-224

  • Radium-224 é um átomo radioativo que é utilizado como fonte de radiação alfa em um dispositivo de tratamento de câncer recém-desenvolvido chamado DaRT Difusing alpha emitters Radiation Therapy , com o nome comercial Alpha DaRT™.
  • As sementes Alpha DaRT são tubos cilíndricos feitos de aço inoxidável impregnados com átomos de Rádio-224. Cada átomo de Rádio-224 sofre um processo de decaimento produzindo 6 átomos-filhos. Durante este processo, são emitidas 4 partículas alfa. O alcance de uma partícula alfa – até 100 mícrons – é insuficiente para cobrir a largura de muitos tumores. No entanto, os átomos-filhos do Radium-224 podem se difundir até 2-3 mm no tecido, criando assim uma "região de morte" com radiação suficiente para destruir potencialmente um tumor inteiro, se as sementes forem colocadas adequadamente. [18]
  • A meia-vida do rádio-224 é curta o suficiente em 3,6 dias para produzir um efeito clínico rápido, evitando o risco de danos à radiação devido à superexposição. Ao mesmo tempo, a meia-vida é longa o suficiente para permitir o manuseio e envio das sementes para um centro de tratamento de câncer em qualquer local do mundo.

Terapia alfa direcionada

  • A terapia alfa direcionada para tumores sólidos envolve a anexação de um radionuclídeo emissor de partículas alfa a uma molécula de direcionamento ao tumor, como um anticorpo, que pode ser administrado por administração intravenosa a um paciente com câncer.
  • Tradicionalmente, esses conjugados anticorpo-radionuclídeo têm usado radionuclídeos emissores de partículas beta. Por exemplo, o iodo-131 tem sido usado há muito tempo para tratar o câncer de tireoide.
  • Recentemente, o emissor alfa Actinium-225 foi testado em estudos como tratamento de câncer para câncer de próstata metastático. Ac-225 está ligado ao antígeno de membrana específico da próstata (PSMA) e é prático para uso clínico porque tem uma meia-vida curta de aproximadamente 10 dias e produz 4 emissões alfa em seu caminho de decaimento para o bismuto-209.

Radiação alfa e erros de DRAM

Na tecnologia de computadores, os " erros leves " da memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) foram ligados a partículas alfa em 1978 nos chips DRAM da Intel . A descoberta levou a um controle rigoroso de elementos radioativos na embalagem de materiais semicondutores, e o problema é amplamente considerado resolvido. [19]

Veja também

Referências

  1. ^ "Valor CODATA: massa de partículas alfa" . NIST . Recuperado em 15 de setembro de 2011 .
  2. ^ a b Krane, Kenneth S. (1988). Física Nuclear Introdutória . John Wiley & Filhos . págs. 246-269. ISBN  978-0-471-80553-3.
  3. ^ Querido, David. "partícula alfa" . Enciclopédia da Ciência . Arquivado a partir do original em 14 de dezembro de 2010 . Recuperado em 7 de dezembro de 2010 .
  4. ^ Firestone, Richard B. (1999). Tabela de isótopos . Coral M. Baglin (8ª ed., atualização de 1999 com CD-ROM ed.). Nova York: Wiley. ISBN 0-471-35633-6. OCLC  43118182 .
  5. ^ NB Como os raios gama são eletromagnéticos ( luz ) eles se movem na velocidade da luz ( c ). As partículas beta geralmente se movem em uma grande fração de c e excedem 60%  c sempre que sua energia é > 64 keV, o que geralmente é. A velocidade dos nêutrons das reações nucleares varia de cerca de 6%  c para fissão até 17%  c para fusão.
  6. ^ Christensen, Mestre; Iddins, CJ; Sugarman, SL (2014). "Lesões e doenças de radiação ionizante". Clínicas de Medicina de Emergência da América do Norte . 32 (1): 245–65. doi : 10.1016/j.emc.2013.10.002 . PMID 24275177 .  
  7. ^ Grellier, James; et ai. (2017). "Risco de mortalidade por câncer de pulmão em trabalhadores nucleares de exposição interna a radionuclídeos emissores de partículas alfa" . Epidemiologia . 28 (5): 675-684. doi : 10.1097/EDE.0000000000000684 . PMC 5540354 . PMID 28520643 .   
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  11. Rutherford distinguiu e nomeou raios α e β na página 116 de: E. Rutherford (1899) "A radiação de urânio e a condução elétrica produzida por ela", Philosophical Magazine , Series 5, vol. 47, não. 284, páginas 109-163. Rutherford nomeou raios γ na página 177 de: E. Rutherford (1903) "O desvio magnético e elétrico dos raios facilmente absorvidos do rádio", Philosophical Magazine , Series 6, vol. 5, não. 26, páginas 177-187.
  12. ^ Hellemans, Alexandre; Bunch, Bryan (1988). Os Horários da Ciência . Simon & Schuster . pág. 411. ISBN 0671621300.
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Leitura adicional

Links externos

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