Partícula alfa para niños
Las partículas alfa (α) son como pequeños paquetes de energía que se forman en el centro de los átomos, llamados núcleos. Son núcleos de helio-4 (4He) que han perdido sus electrones. Esto significa que están hechos de dos protones y dos neutrones. Como no tienen electrones, tienen una carga eléctrica positiva (+2) y una masa de 4 unidades de masa atómica.
Estas partículas suelen aparecer en reacciones nucleares o cuando algunos átomos se desintegran de forma natural, transformándose en elementos más ligeros. Las partículas alfa no pueden penetrar mucho; en el aire, pierden su energía rápidamente porque chocan con otras moléculas. Por eso, unas pocas hojas de papel pueden detenerlas.
Una partícula alfa tiene una carga de 3,2 x 10-19 culombios y una masa de 6,64 x 10-27 kg.
El estudio de cómo se desintegran los átomos emitiendo partículas alfa ayudó a los científicos a entender un concepto importante de la física cuántica llamado "efecto túnel". Este efecto explica cómo las partículas pueden atravesar barreras de energía, incluso si no tienen suficiente energía para hacerlo de forma normal.
Las partículas alfa tienen muchas aplicaciones útiles. Se usan en detectores de humo, en aparatos que eliminan la electricidad estática y en generadores de energía para sondas espaciales o marcapasos. También se investiga su uso para tratar ciertas enfermedades, ya que su corto alcance permite dirigir su energía a zonas específicas sin afectar mucho a los alrededores.
Las partículas alfa no giran (su espín es cero). Cuando se producen por desintegración radiactiva, suelen tener una energía de unos 5 MeV y se mueven a una velocidad cercana al 4% de la velocidad de la luz. Son un tipo de radiación que ioniza mucho (es decir, arranca electrones de otros átomos), pero no penetran profundamente; unos pocos centímetros de aire o la piel pueden detenerlas.
Sin embargo, hay partículas alfa más energéticas que se producen en un tipo especial de fisión nuclear y pueden penetrar más. Los núcleos de helio que forman parte de los rayos cósmicos también tienen mucha más energía y pueden atravesar el cuerpo humano y materiales densos.
Contenido
¿Cómo se Llaman las Partículas Alfa?
Algunos científicos usan los términos "núcleos de helio doblemente ionizados" (He2+) y "partículas alfa" de forma similar. No hay una regla estricta, pero generalmente, el nombre "partícula alfa" se usa cuando se refieren a cómo se producen y su energía.
Por ejemplo, se habla de "procesos alfa" en las estrellas o cuando son parte de los rayos cósmicos. También se producen partículas alfa muy energéticas en un tipo raro de fisión nuclear llamado fisión ternaria. Sin embargo, los núcleos de helio creados en aceleradores de partículas como los ciclotrones no suelen llamarse "partículas alfa".
Historia del Descubrimiento y Uso de las Partículas Alfa
Entre 1899 y 1900, los científicos Ernest Rutherford y Paul Villard descubrieron que la radiación ionizante de los átomos se dividía en tres tipos: alfa, beta y gamma. Rutherford las nombró así basándose en su capacidad para atravesar objetos y cómo se desviaban en un campo magnético. Las partículas alfa eran las que menos penetraban.
Rutherford también midió la relación entre la masa y la carga de las partículas alfa, lo que le hizo pensar que eran iones de helio con doble carga. En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds lo demostraron. Dejaron que las partículas alfa pasaran a través de una pared de cristal muy fina y las recogieron en un tubo. Al analizar el gas dentro del tubo, vieron que era helio, confirmando que las partículas alfa eran iones de helio.
Como las partículas alfa se producen de forma natural y tienen suficiente energía para participar en reacciones nucleares, su estudio fue clave para entender la física nuclear. Rutherford las usó para demostrar que el modelo del átomo de J. J. Thomson (conocido como "modelo del pudín de ciruela") no era correcto.
En el famoso experimento de la lámina de oro, realizado por sus estudiantes Hans Geiger y Ernest Marsden, se lanzó un haz de partículas alfa hacia una lámina de oro muy delgada. Se esperaba que las partículas apenas se desviaran. Sin embargo, algunas se desviaron mucho, e incluso algunas rebotaron. Esto llevó a Rutherford a concluir que la carga positiva del átomo no estaba dispersa, sino concentrada en un espacio muy pequeño en el centro, al que llamó núcleo.
Antes de este descubrimiento, no se sabía que las partículas alfa eran núcleos atómicos, ni que existían los protones o neutrones. El experimento de Rutherford cambió nuestra comprensión del átomo y llevó al modelo de Bohr y, más tarde, al modelo actual.
En 1917, Rutherford usó partículas alfa para lograr la primera transmutación nuclear artificial. Al bombardear aire con partículas alfa, descubrió que se producían núcleos de hidrógeno (protones). Se dio cuenta de que el nitrógeno del aire se había transformado en oxígeno en la siguiente reacción:
- 14N + α → 17O + p
¿De Dónde Vienen las Partículas Alfa?
Desintegración Alfa: El Origen Más Común
La forma más conocida de producir partículas alfa es la desintegración alfa de átomos pesados (con más de 106 unidades de masa atómica). Cuando un átomo emite una partícula alfa, su número de masa disminuye en cuatro (por la pérdida de los dos protones y dos neutrones de la partícula alfa). Su número atómico disminuye en dos (por la pérdida de los dos protones), lo que significa que el átomo se convierte en un elemento diferente. Ejemplos de esto son la desintegración del uranio en torio, o del radio en radón.
Muchos núcleos radiactivos grandes, como los de uranio, torio, actinio y radio, emiten partículas alfa. A diferencia de otros tipos de desintegración, la desintegración alfa solo ocurre en núcleos con un tamaño mínimo. Los núcleos más pequeños que se sabe que emiten partículas alfa son el berilio-8 y algunos núcleos ligeros de telurio. A veces, después de emitir una partícula alfa, el núcleo queda con un exceso de energía, que libera emitiendo un rayo gamma.
¿Cómo se Produce la Desintegración Alfa?
La desintegración alfa ocurre por un equilibrio entre la fuerza electromagnética (que repele las cargas positivas) y la fuerza nuclear (que mantiene unido el núcleo). En la física clásica, las partículas alfa no tendrían suficiente energía para escapar del núcleo.
Sin embargo, el "efecto túnel" de la física cuántica permite que las partículas alfa escapen. Esto se debe a la naturaleza ondulatoria de la materia, que permite que la partícula alfa pase un tiempo en una región fuera del núcleo donde la repulsión eléctrica es más fuerte que la atracción nuclear. Desde ese punto, las partículas alfa pueden escapar.
Fisión Ternaria
Las partículas alfa muy energéticas también pueden producirse en un proceso nuclear poco común llamado fisión ternaria. En este proceso, se forman tres partículas cargadas en lugar de las dos habituales, y la más pequeña suele ser una partícula alfa. Estas se llaman "alfas de largo alcance" porque su energía es mucho mayor que la de las partículas alfa de la desintegración normal.
Aceleradores de Partículas
Los núcleos de helio con mucha energía (iones de helio) pueden crearse en ciclotrones, sincrotrónes y otros aceleradores de partículas. Sin embargo, no suelen llamarse "partículas alfa" en este contexto.
Reacciones en el Sol
Los núcleos de helio participan en reacciones nucleares dentro de las estrellas, y a veces se les llama "reacciones alfa" (como en el proceso triple alfa).
Rayos Cósmicos
Además, los núcleos de helio con energía extremadamente alta, a veces llamados partículas alfa, forman entre el 10% y el 12% de los rayos cósmicos.
Energía y Absorción de las Partículas Alfa
La energía de las partículas alfa emitidas en la desintegración alfa está relacionada con la vida media del átomo que las emite. La mayoría de las partículas alfa tienen energías entre 3 y 7 MeV (mega-electrón-voltios). Estas energías y sus proporciones son únicas para cada tipo de átomo y se usan para identificarlos.
Con una energía típica de 5 MeV, las partículas alfa se mueven a unos 15.000 km/s, que es el 5% de la velocidad de la luz. Aunque tienen mucha energía para una sola partícula, su gran masa hace que sean más lentas que otros tipos de radiación, como las partículas beta o la radiación por neutrones.
Debido a su carga y gran masa, las partículas alfa son absorbidas fácilmente por los materiales y solo pueden viajar unos pocos centímetros en el aire. Una hoja de papel o las capas externas de la piel humana pueden detenerlas. Suelen penetrar la piel unos 40 micrómetros, lo que equivale a unas pocas células de profundidad.
Efectos en el Cuerpo Humano
Dado que las partículas alfa tienen un alcance muy corto y no pueden atravesar las capas externas de la piel, generalmente no son peligrosas a menos que la fuente que las emite entre en el cuerpo (por ejemplo, al ser inhalada, ingerida o inyectada). Si los materiales que emiten partículas alfa entran en el cuerpo, esta radiación es la forma más dañina de radiación ionizante.
Es el tipo de radiación que más ioniza, y en dosis suficientemente grandes, puede causar problemas de salud graves. Se calcula que el daño a los cromosomas causado por las partículas alfa es entre 10 y 1000 veces mayor que el causado por la misma cantidad de radiación gamma o beta, con un promedio de 20 veces. Un estudio en trabajadores expuestos a radiación alfa de plutonio y uranio mostró que, si se considera que su eficacia biológica es 20 veces mayor, el riesgo de problemas de salud en los pulmones por radiación alfa es similar al de una dosis 20 veces mayor de radiación gamma externa.
Cuando se ingieren isótopos que emiten partículas alfa, son mucho más peligrosos de lo que su vida media podría sugerir, debido a su alta capacidad para causar daño biológico. La radiación alfa es, en promedio, unas 20 veces más peligrosa, y en algunos experimentos con emisores alfa inhalados, hasta 1000 veces más peligrosa que una actividad equivalente de radioisótopos que emiten beta o gamma.
Antipartícula Alfa
En 2011, científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Estados Unidos detectaron la antipartícula del núcleo de helio, también conocida como antialfa. Este experimento se realizó haciendo chocar iones de oro que se movían casi a la velocidad de la luz.
Aplicaciones de las Partículas Alfa
- Detectores de humo: Algunos detectores de humo contienen una pequeña cantidad de americio-241, que emite partículas alfa. Estas partículas ionizan el aire dentro de un pequeño espacio, permitiendo que pase una pequeña corriente eléctrica. Si entra humo, la corriente disminuye y la alarma suena. El americio-241 es peligroso si se inhala o ingiere, pero el riesgo es mínimo si la fuente está sellada.
- Fuentes de energía: La desintegración alfa puede ser una fuente de energía segura para los generador termoeléctrico de radioisótopos usados en sondas espaciales y marcapasos artificiales. Es más fácil protegerse de la radiación alfa que de otras formas de radiación. Por ejemplo, el Plutonio-238, que emite partículas alfa, solo necesita 2,5 mm de plomo para bloquear la radiación no deseada.
- Eliminadores de estática: Los eliminadores de estática a menudo usan polonio-210, un emisor alfa, para ionizar el aire y ayudar a que la electricidad estática se disipe más rápido.
- Tratamientos médicos: Actualmente, los investigadores están explorando cómo usar la capacidad dañina de los materiales que emiten partículas alfa dentro del cuerpo, dirigiéndolos en pequeñas cantidades hacia zonas específicas para tratar enfermedades.
Galería de imágenes
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Partícula alfa.
Véase también
En inglés: Alpha particle Facts for Kids
- Desintegración alfa
- Poder de frenado
- Partícula beta
- Rayos gamma
- Radiación
