Radiación alfa

Hará cosa de mes y medio, en la entrada "Radiación beta", definíamos esta como aquella en forma de radiación donde un núcleo atómico emitía electrones y antineutrinos, o también positrones y neutrinos. Esto se debía a la interacción débil, que hacía decaer generalmente un neutrón en un protón. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde hablo de radiación beta y alfa.

Hoy hablaremos de la Radiación Alfa. Sabemos que en los núcleos de los átomos hay protones y neutrones. ¿Cómo es posible que estos no se repelan aunque sean de la misma carga? La respuesta la encontramos en la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a esos nucleones en el núcleo. Gracias a que es más fuerte que la electromagnética, los núcleos están fuertemente cohesionados. Sin la existencia de dicha interacción, el Universo sería una sopa de protones, neutrones, electrones, radiación y demás partículas.

Un dato importante es que esta fuerza tiene un alcance muy corto. Debido a esto, llega un momento en el que el valor de la fuerza se hace 0. Su rango de acción es algo mayor a una trillonésima de metro. Para imaginar esto, os diré que si un metro fuese la distancia entre la Tierra y el Sol, el rango de acción de esta fuerza tendría la longitud de una bacteria...casi nada.

Imaginemos por un momento un átomo de Uranio-238. Su núcleo está constituído por 92 protones y 146 neutrones. Cuanto más grande y pesado es un núcleo, menos estable será, porque las fuerzas electrostáticas de repulsión entre los protones crecerá. Debido a esto, el Uranio-238 tenderá a perder cargas nucleares en forma de partículas alfa. Las partículas alfa son agrupaciones de dos neutrones y dos protones, como si de un núcleo de helio se tratase. 

Así, ese isótopo de Uranio decaerá en un átomo de Thorio (90 protones y 90 electrones), en una partícula alfa (2 protones y dos neutrones) y en los dos electrones que quedan. Finalmente, estos dos electrones se asocian a la partícula alfa formando un átomo de helio. Esta es la razón por la que en los depósitos de minerales radiactivos es frecuente la presencia de bolsas de helio.

Otra forma de entender esta radiación se basa en el efecto túnel de la mecánica cuántica, donde esa partícula alfa supera esa barrera de potencial "escapándose" del núcleo.

Debido al enorme tamaño de estas partículas, su masa y su carga, pueden ser detenidas por una simple hoja de papel, y no son capaces de atravesar la piel humana aunque su velocidad media sea de 15.000 km/s.

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Decaimiento tipo ß

¿Cómo podemos definir exactamente 'radiación'?

Consiste en la liberación y propagación de ondas electromagnéticas o partículas de carácter subatómico, que se pueden propagar en el vacío y en algunos casos en medios materiales. Los tipos de radiación más frecuentes son la radiación tipo alfa, tipo beta, tipo gamma y finalmente los neutrones. En esta breve entrada nos centraremos en la beta. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde explico cómo se datan fósiles basándonos en principios físicos.

En el Universo conviven cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil. La que nos interesa hoy es la débil, aquella responsable del llamado "cambio de sabor" de unos quarks a otros. Los quarks son partículas subatómicas constituyentes de los hadrones (protones y neutrones), unidas entre sí de tres en tres mediante la fuerza nuclear fuerte, más en concreto mediante una partícula llamada gluón. Por ejemplo, un neutrón está formado por 2 quarks down y 1 quark up, mientras que un protón está formado por 1 quark up y 2 quarks down. Esa fuerza nuclear fuerte es tal que es necesario el uso de grandes colisionadores de partículas de altas energías para su estudio.

Constantemente, esos quarks que componen los protones o neutrones cambian de sabor. Este cambio de sabor (paso de quark up a quark down, por ejemplo) es debido a la fuerza nuclear débil. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z. Estas partículas son muy pesadas, hecho que se explica mediante el Mecanismo de Higgs. El fenómeno más probable es que un neutrón decaiga en un protón, liberándose un pión que es absorbido por otro protón, que se convierte en un neutrón, quedándose el núcleo atómico intacto. Cuantos más neutrones haya con respecto al número de protones, más probable será que al pasar de un neutrón a un protón el bosón W- (liberado en el decaimiento de neutrón a protón) no sea absorbido por un protón, por lo que el decaimiento beta más frecuente se produce en el paso de un neutrón a un protón en isótopos inestables.

Cambio de color del quark down en up, liberándose un bosón W-
que decae en un electrón de alta energía y un antineutrino

Ahora explicaremos el proceso de radiación beta por inducción, desde un ejemplo hasta la generalización. El núcleo del isótopo de carbono 14 cuenta con 6 protones y 8 neutrones (con 2 neutrones más que el elemento "tradicional"). Uno de esos dos neutrones decae en un protón mediante la interacción débil, convirtiéndose en un protón (carga positiva) y liberándose un bosón W-. Este último se divide en un antineutrino y un electrón. Así se formaría un núcleo de Nitrógeno, con 7 neutrones y 7 electrones, liberándose radiación ß-.

En neutrón (n) decae en un protón (p), un electrón (e) y un antineutrino

Puede ocurrir lo contrario, que un protón decaiga en un neutrón, liberándose un positrón (antipartícula simétrica en el modelo estándar al electrón, de igual masa y carga opuesta) y un neutrino. Esta radiación es la ß+.

La existencia del neutrino fue postulada por W. Pauli en sus estudios sobre la radiación beta, al no haber una correspondencia total entre la conservación de la energía y de la masa en este tipo de decaimiento. La existencia del neutrino corregiría esa no correspondencia. 

Este proceso también está muy presente en las reacciones de fusión nuclear, donde se forman los elementos de la tabla periódica a partir de la fusión de núcleos más pequeños. Sucede mayoritariamente en las estrellas, que deben su brillo y esplendor a la existencia de la interacción nuclear débil. Nosotros mismos debemos nuestra existencia a esta fuerza, ya que todos los átomos que forman nuestro cuerpo formaron parte de una estrella, que convirtió hidrógeno y helio en elementos más pesados, liberando en el proceso radiación beta (entre otras).

La radiación beta es poco penetrante, pudiendo ser frenada por un folio. Es más penetrante, eso sí, que la alfa (formada por dos protones y dos neutrones) pero mucho menos que la gamma (energía pura que apenas interacciona con la materia).

Seguro que cuando hablé del carbono 14 este te sonaba familiar. El isótopo de carbono 14 se usa para datar materia orgánica en el tiempo. Tomando una muestra de esa materia y estudiando la relación entre los isótopos de carbono 14 (elemento padre) y de nitrógeno 14 (elemento hijo), podemos aproximar el momento en que ese organismo dejó de intercambiar carbono con el medio, es decir, su muerte.

Puedes leer algo sobre radiación alfa en la siguiente entrada: Radiación Alfa.
Un saludo!