RAYOS ALPHA, BETA Y GAMMA
RAYOS ALPHA
Una partícula alpha (α) es un núcleo 4He, con dos protones y dos neutrones enlazados entre sí, con espín total cero. La emisión alpha se presenta principalmente en núcleos que son demasiado grandes para ser estables. Cuando un núcleo emite una partícula alpha, sus valores de N (número de neutrones) y Z (número de protones) disminuyen cada uno en dos, y A (número másico) disminuye en cuatro.
Un ejemplo conocido de los emisores alpha es el elemento radio (de número atómico igual a 88 y número másico igual a 226), que decae al elemento radón (de Z = 86 y A = 222) por emisión alpha. La velocidad de la partícula α emitida, determinada a partir de la curvatura de su trayectoria en un campo magnético transversal, es de 1,52 x 107 m/s. Esta rapidez, aunque es elevada, sólo es el 5% de la rapidez de la luz; es decir, tienen un poder de penetración bajo debido a la baja velocidad.
Te recomendamos la lectura previa del primer artículo de la serie:RADIACTIVIDAD |
Por su carga y su masa, las partículas alpha sólo pueden recorrer algunos centímetros en el aire, o algunos décimos o centésimos de milímetro en los sólidos antes de quedar en reposo debido a las colisiones. Al mismo tiempo, si las partículas alpha chocan con los electrones periféricos de algún átomo, pueden arrancarlos y provocar la ionización atómica. Decimos que las partículas α tienen un alto poder ionizante.
Algunos núcleos pueden decaer en forma espontánea emitiendo partículas alpha, porque se libera energía en esta desintegración. El decaimiento alfa es posible siempre que la masa del átomo neutro original sea mayor que la suma de las masas del átomo neutro final y el átomo neutro de 4He.
Para las primeras mediciones de la carga de la partícula α se utilizó un dispositivo denominado contador de Geiger, todavía importante en física moderna.
Para las primeras mediciones de la carga de la partícula α se utilizó un dispositivo denominado contador de Geiger[note]Es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar, inventado por Hans Geiger y Ernest Rutherford en 1908. La versión actual fue desarrollada por Sidney Liebson en 1947.[/note], todavía importante en física moderna.
Un contador de Geiger consta de un cilindro metálico y de un cable dispuesto a lo largo de un eje. El cilindro contiene un gas, como aire o argón (Ar) a una presión entre 50 y 100 mmHg. Entre el cable y la pared del cilindro hay una diferencia de potencial ligeramente inferior a la necesaria para producir una descarga. Las partículas α pueden entrar a través de una ventana de vidrio delgado o de mica. La partícula que entra en el contador produce la ionización de las moléculas del gas. Estos iones son acelerados por el campo eléctrico y producen más iones por colisiones, estableciendo rápidamente la corriente de ionización. Sin embargo, la corriente decae muy deprisa, pues la constante de tiempo del circuito es pequeña. Hay, por lo tanto, un impulso de corriente momentánea. La diferencia de potencial momentánea puede ser amplificada para hacer avanzar un contador electrónico o activar un integrador.
Colocando una masa conocida de radio a una distancia determinada de la ventana de un contador de Geiger, Rutherford y Geiger contaron el número de partículas alpha emitidas en un intervalo de tiempo conocido. Hallaron que un gramo de radio emitía 3,57 x 1010 partículas α por segundo. Después dejaron incidir las partículas alpha procedentes de la misma fuente sobre una lámina y midieron el ritmo de aumento de su carga. Dividiendo este aumento de carga por segundo entre el número de partículas emitidas por segundo, Rutherford[note]Ernest Rutherford nació en Nueva Zelanda, el 30 de agosto de 1871, y falleció en Reino Unido el 19 de octubre de 1937. Ganó el Premio Nobel de Química por sus investigaciones relativas a la desintegración de los elementos. Lleva el nombre de uno de los modelos atómicos, con el que probó la existencia del núcleo.[/note] y Geiger[note]Johannes (Hans) Wilhelm Geiger nació en Neustadt el 30 de septiembre de 1882. Fue un físico alemán miembro del “Club del Uranio”, el grupo de científicos que buscaron, sin éxito, crear la bomba atómica alemana. Su lealtad al partido nazi lo llevó a tracionar a varios colegas judíos. Falleció en Potsdam, el 24 de noviembre de 1945, meses después del fin de la Segunda Guerra Mundial.[/note] determinaron que la carga de una partícula alpha era 3,19 x 10-19 C[note]El Coulomb (C) se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica, es decir, alrededor de 6,241506 x 1018 veces la carga de un electrón (e–)[/note].
. Al momento de determinar la masa de una partícula α, se llegó a la conclusión de que era de 6,62 x 10-27 kg, casi exactamente cuatro veces la masa de un átomo de hidrógeno (H).
RAYOS BETA
Por otro lado, los denominados rayos beta también están constituidos por haces de partículas, por eso estos rayos son llamados partículas beta (β). Hay tres clases distintas y sencillas de decaimiento beta: beta menos, beta más y captura de electrón. Aunque son emitidas por el núcleo, las partículas beta negativas o partículas beta menos (β-) resultan idénticas a los electrones, es decir que tienen carga iguala -1 y su masa es unas siete mil veces más pequeña que las partículas alpha. No es obvio cómo puede un núcleo emitir un electrón, si en el núcleo no hay electrones. La emisión de una beta menos implica la transformación de un neutrón en un protón, un electrón y una tercera partícula llamada antineutrino. De hecho, si se libera un neutrón de un núcleo, decaerá en un protón, un electrón y un antineutrino, en un tiempo promedio de 15 minutos.
Las velocidades de las partículas beta llegan hasta a 0,9995 de la velocidad de la luz, por lo que su movimiento es muy relativista. Son emitidas con un espectro continuo de energía. A diferencia de las partículas α, que son emitidas por un núcleo dado con una velocidad o unas cuantas velocidades definidas, las partículas β son emitidas con velocidades que varían de un modo continuo desde cero hasta un valor máximo que depende de la naturaleza del núcleo emisor.
Eso no sería posible si las únicas dos partículas fueran la beta menos y el núcleo en retroceso, ya que en ese caso la conservación de la energía y la cantidad de movimiento indicarían una velocidad definida de la beta menos.
Así, debe haber una tercera partícula implicada. De acuerdo con la conservación de la carga, esa partícula debe ser neutra, y de acuerdo con la conservación de la cantidad de movimiento angular, debe ser una con espín -1/2.
 | Figura 2[note]From: https://cuentos-cuanticos.com/tag/desintegracion-gamma/[/note].Las radiaciones α son frenadas por una hoja de papel; las β por una lámina de aluminio (13Al); y los rayos γ, sólo por un grueso bloque de plomo (82Pb). |
Esta tercera partícula es un antineutrino, la antipartícula de un neutrino. El símbolo asignado del neutrino es νe (la letra griega “nu”). Tanto el neutrino como el antineutrino tienen carga cero y masa despreciable y, en consecuencia, producen muy pocos efectos observables al atravesar la materia. Ambas evadieron su detección hasta 1953, cuando Frederick Reines[note]Frederick Reines nació el 16 de marzo de 1918 y murió el 26 de agosto de 1998. Fue un físico estadounidense que ganó el Premio Nobel de Física en 1995, considerado el único científico en la historia íntimamente asociado con el descubrimiento y la subsiguiente investigación de una partícula elemental, el neutrino.[/note] y Clyde Cowan[note]Clyde Lorrain Cowan Jr. (nacido el 6 de diciembre de 1919 y fallecido el 24 de mayo de de 1974) recibió el Premio Nobel de Física en 1995 por sus estudios de las partículas subatómicas.[/note] pudieron observar en forma directa al antineutrino. Ahora sabemos que hay al menos tres variedades de neutrinos, cada una con su antineutrino correspondiente; una se asocia con el decaimiento beta, y las otras dos se asocian con el decaimiento de dos partículas inestables, el muón y la partícula tau.
El decaimiento beta menos suele presentarse con núclidos para los que la relación de neutrones a protones N/Z es muy grande para tener estabilidad. En el decaimiento β-, N disminuye en uno, Z aumenta en uno y A no cambia. De acuerdo con la conservación de la masa-energía, el decaimiento beta menos puede ocurrir siempre que la masa atómica neutra del átomo original sea mayor que la del átomo final.
Un ejemplo de un emisor beta menos es el cobalto 60, de número de protones igual a 27, aunque es imposible predecir con precisión cómo se compartirá la energía en el decaimiento de determinado núcleo de dicho cobalto.
Entonces, se puede afirmar que el decaimiento β- sucede con núclidos que tienen una relación N/Z, de neutrones a protones, muy grande. Los núclidos en los que N/Z es muy pequeña para tener estabilidad pueden emitir un positrón, la antipartícula del electrón, que es idéntica al electrón pero tiene carga positiva. El proceso básico se llama decaimiento beta más (β+). El decaimiento beta puede presentarse siempre que la masa atómica neutra del átomo original es al menos dos masas de electrón mayor que la del átomo final.
El tercer tipo de decaimiento beta es la captura de electrón. Hay unos núclidos para los que la emisión β+ no es posible desde el punto de vista de la energía, pero en los que un electrón orbital (normalmente en la capa K) se puede combinar con un protón en el núcleo, formando un neutrón y un neutrino. El neutrón se queda en el núcleo, y se emite el neutrino. La captura de electrón puede presentarse siempre que la masa atómica neutra del átomo original sea mayor que la del átomo final.
En todos los tipos de decaimiento beta, el número másico permanece constante. Sin embargo, en el decaimiento beta más y en la captura de electrón, el número de neutrones aumenta en uno y el número atómico disminuye en uno, y la razón neutrones/protones aumenta hacia un valor más estable. Las reacciones de decaimiento beta suceden dentro del núcleo.
RAYOS GAMMA
Ahora bien, es importante aclarar que la energía del movimiento interno en un núcleo está cuantizada. Un núcleo normal tiene un conjunto de niveles permitidos de energía, que incluyen un estado fundamental (estado de mínima energía) y varios estados excitados. En las transformaciones físicas y químicas ordinarias, el núcleo siempre permanece en su estado fundamental. Cuando un núcleo se pone en un estado excitado, ya sea por bombardeo con partículas de alta energía o por una transformación radiactiva, puede decaer al estado fundamental emitiendo uno o más fotones, llamados rayos gamma o fotones de rayos gamma, comúnmente con energías entre 10 keV y 5 MeV[note]Un electronvoltio (eV) es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio, por lo que equivale, en unidades básicas del Sistema Internacional, a 1,60 x 10-19 J[/note].
. A este proceso se le llama decaimiento gamma (γ).
Un ejemplo para comprender la emisión de rayos gamma es el siguiente:
Las partículas alfa emitidas por el 226Ra tienen dos energías cinéticas posibles: o bien 4,784 MeV o 4,602 MeV. Incluyendo la energía de retroceso del núcleo de 222Rn resultante, corresponden a una energía total liberada de 4,871 MeV o 4,685 MeV, respectivamente. Cuando se emite una partícula alpha con la menor energía, el núcleo de 222Rn queda en un estado excitado. El espectro de rayos γ de cualquier elemento es un espectro de líneas, lo que sugiere la emisión del fotón de rayo gamma. De esta manera, decae a su estado fundamental, con un fotón de rayo gamma con energía igual a (4,871 – 4,685) MeV = 0,186 MeV.
Tanto el decaimiento alpha como en el beta, el valor de Z de un núcleo cambia, y el núcleo de un elemento se transforma en el núcleo de un elemento diferente. En el decaimiento gamma, el elemento no cambia; sólo el núcleo pasa de un estado excitado a uno menos excitado.
Como los rayos gamma no son desviados por un campo magnético, no pueden estar constituidos por partículas cargadas. Sin embargo, son difractados en la superficie de un cristal de forma similar a los rayos X[note]La longitud de onda de los rayos X está entre 0,1 y 10 nanómetros, correspondiendo a frecuencias de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible. Son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que los rayos γ. La diferencia fundamental con los rayos γ es su origen: los rayos γ son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de e-.[/note], pero con ángulos de difracción extremadamente pequeños. Experimentos de esta clase conducen a la conclusión de que los rayos gamma son en realidad ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta, aproximadamente 1/100 de la de los rayos X.
Al ser ondas electromagnéticas idénticas a la de la luz, pero con un contenido energético muy superior (es decir que la naturaleza de los rayos gamma es muy distinta a la de los rayos alpha y beta), hacen que estos rayos, desprovisto de masa, sean muy veloces y capaces de atravesar la materia sin ionizarla y de realizar amplios recorridos sin que los frene ningún obstáculo. Son muy penetrantes (para detenerlos, hay que interponer en su camino una gruesa lámina de plomo o una pared de cemento de tres metros de espesor).
Conclusión acerca de los rayos alpha, beta y gamma
En términos de energía, la radiación gamma es la más energética, seguida por la radiación beta y luego la radiación alfa.
La radiación alfa consiste en partículas alfa, que son núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) y tienen una carga eléctrica positiva. Son las menos penetrantes pero pueden ser peligrosas si se ingieren o inhalan, ya que pueden dañar el tejido humano.
La radiación beta consiste en electrones (beta negativa) o positrones (beta positiva) de alta energía. Son más penetrantes que la radiación alfa, pero menos que la radiación gamma.
La radiación gamma consiste en fotones de alta energía y es la más penetrante de las tres. Puede atravesar materiales densos y es la más peligrosa para los seres humanos en términos de exposición externa, ya que puede penetrar fácilmente en el cuerpo y causar daños en el tejido celular.
Fuentes:
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Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
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