Desintegració

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Una desintegració nuclear és la pèrdua de partícules per part d'un nucleid. Dintre dels processos de desintegració atòmica també es pot incloure la transició isomèrica, a la qual els nucleids excitats emeten energia en forma de fotons.

Història[modifica | modifica el codi]

La primera diferenciació dels diferents tipus de desintegració es va fer quan es va descobrir que els camps elèctrics i magnètics podien dividir les emissions dels materials radioactius en dos feixos. A falta d'altres termes més adients, es va començar a utilitzar l'alfabet grec i així tenim termes com partícula alfa, partícula beta o radiació gamma que encara s'utilitzen avui dia. Mentre la desintegració alfa només s'observa als elements més pesants (aquells que tenen un nombre atòmic igual o superior a 52), mentre que els altres dos tipus és present a tots els elements.

En analitzar la natura dels productes de la desintegració, va ser obvi a partir de l'observació de la direcció de la força electromagnètica que la desintegració alfa comportava càrregues positives, les partícules beta transportaven càrrega negativa i la radiació gamma era neutra elèctricament. I a partir de la magnitud de la deflexió es va deduir clarament que les partícules alfa eren molt més massives que les de tipus beta. Fent passar partícules alfa a través d'una petita finestra de vidre molt prim i atrapant-les a una làmpada de neó va permetre els investigadors d'estudiar l'espectre d'emissió del gas resultant i demostrar que aquestes partícules eren nuclis d'heli. D'altres experiments van mostrar la similitud entre la radiació beta i els raigs catòdics; ambdós eren feixos d'electrons.

Encara que les desintegracions de tipus alfa, beta i gamma són les més comunes, finalment es van descobrir d'altres tipus. Poc després del descobriment del neutró l'any 1932, Enrico Fermi va trobar algunes desintegracions rares que cedien neutrons. L'emissió de protons va ser observada en alguns elements. Poc després del descobriment del positró als raigs còsmics, els investigadors s'adonaren que a la desintegració beta es produïa un procés similar i podia produir positrons (emissió de positrons) de manera anàloga a la producció d'electrons. Cadascun d'aquests dos tipus de desintegració beta actua per tal de portar els nuclis ver una relació de neutrons i protons amb l'energia més baixa possible. També hi ha un fenomen anomenat desintegració de cluster on es produeixen combinacions específiques de neutrons i protons i a vegades s'emeten partícules alfa dels àtoms.

Encara es van descobrir més tipus de desintegració, amb les mateixes partícules prèviament detectades, però amb mecanismes de funcionament diferents. Un exemple seria la conversió interna que produeix una emissió d'un electró i de vegades d'un fotó d'alta energia sense que això impliqui ni una desintegració beta o gamma.

Tipus de desintegració[modifica | modifica el codi]

Els nuclis dels materials radioactius poden patir diferents tipus de reaccions que es mostren a la taula següent. Un nucli amb nombre màssic A i nombre atòmic Z es representa a la taula com (A, Z). La columna denominada Diferència mostra la diferència entre el nou nucli i l'original, així (A–1, Z) significa que el nombre màssic ha disminuït en una unitat mentre que el nombre atòmic roman inalterat.

Tipus de desintegració Partícules implicades Diferència
Desintegració amb emissió de nucleons:
Desintegració alfa Una partícula alfa (A=4, Z=2) és emesa pel nucli (A–4, Z–2)
Emissió de protons Un protó és expulsat del nucli (A–1, Z–1)
Emissió de neutrons Un neutró és expulsat del nucli (A–1, Z)
Fissió espontània Els nuclis es desintegren en dos o més nuclis més petits i d'altres partícules
Desintegració de clusters Els nuclis emeten un tipus específic de petits nuclis (A1, Z1) més petits o més grans que una partícula alfa (AA1, ZZ1) + (A1,Z1)
Diferents tipus de desintegració beta:
Emissió beta negativa Un nucli emet un electró i un antineutrí (A, Z+1)
Emissió de positrons, o emissió beta positiva Un nucli emet un positró i un neutrí (A, Z–1)
Captura electrònica Un nucli captura un electró dels propis orbitals i emet un neutrí — El nucli resultant queda en un estat excitat i inestable (A, Z–1)
Doble desintegració beta Un nucli emet dos electrons i dos antineutrins (A, Z+2)
Doble captura electrònica Un nucli absorbeix dos electrons dels seus orbitals i emet dos neutrins — El nucli resultant queda en un estat excitat i inestable (A, Z–2)
Captura electrònica amb emissió de positrons Un nucli absorbeix un electró dels seus orbitals, emet un positró i dos neutrins (A, Z–2)
Doble emissió de positrons Un nucli emet dos positrons i dos neutrins (A, Z–2)
Transicions entre diferents estats del mateix nucli:
Transició isomèrica El nucli excitat emet un fotó d'alta energia (radiació gamma) (A, Z)
Conversió interna El nucli excitat transfereix energia a un electró dels seus orbitals i és expulsat de l'àtom (A, Z)

La desintegració radioactiva comporta una reducció de la massa en repòs total, un cop l'energia alliberada (l'energia de desintegració) ha sortit. L'energia comporta massa (vegeu Equivalència de la massa i l'energia a la relativitat especial) d'acord amb l'equació E = mc^2. L'energia de desintegració s'allibera com a l'energia cinètica de les partícules emeses. Més tard aquestes partícules arriben a un equilibri termodinàmic amb el seu entorn. L'energia continua associada amb la mesura de la massa invariant del sistema, tant l'energia cinètica de les partícules emeses primer i com després l'energia tèrmica del la matèria circumdant contribueixen a la massa invariant total del sistema. Això significa que la suma de la massa invariant de les partícules no es conserva en el procés de desintegració, però si que es conserva la massa invariant del sistema com a sistema total d'energia.

Cadena de desintegració[modifica | modifica el codi]

Els nuclis resultants de la desintegració també poden ser inestables, i en aquest cas també es desintegraran produint radiació. El segon nucli resultant també pot ser radioactiu i així successivament, el que porta a una cadena de diferents processos de desintegració fins que s'arriba a la producció d'un nucli estable. Aquesta procés seqüencial rep el nom de cadena de desintegració.

Un exemple n'és la cadena de desintegració de l'urani-238, que seria com segueix:

  • desintegració mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 4.468 milions d'anys, vers el tori-234
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració de 24 dies, vers el protoactini-234
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració d'1,2 minuts, vers l'urani-234
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 240.000 anys, vers el tori-230
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 77.000 anys, vers el radi-226
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 1.600 anys, vers el radó-222
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 3,8 dies, vers el poloni-218
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 3,1 minuts vers el plom-214
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració de 27 minuts vers el bismut-214
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració de 20 minuts vers el poloni-214
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 160 microsegons vers el plom-210
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració de 22 anys vers el bismut-210
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió beta, amb un període de semidesintegració de 5 dies vers el poloni-210
  • al seu torn es desintegra mitjançant una emissió alfa, amb un període de semidesintegració de 140 dies vers el plom-206, que té un nucli estable.

Alguns radionuclis poden presentar més d'un procés de desintegració, per exemple, en el cas del bismut-212 un 36% aproximadament es desintegra mitjançant l'emissió alfa en tal·li-208 mentre que l'aproximadament 64% restant ho fa mitjançant una emissió beta veres el poloni-212. Ambdós productes són també radioactius i es desintegren directament vers el plom-208 que és estable.

Magnituds relacionades[modifica | modifica el codi]

El nombre de desintegracions nuclears depèn directament del nombre de nuclis atòmics radiactius presents a la mostra d'estudi, és a dir, que la quantitat de desintegracions per a cada unitat de temps, és a dir, l'activitat, A, és sempre igual al nombre de nucleids radiactius pressents, N, multiplicat per a un nombre constant. Aquest nombre és sempre el mateix per a cada radionúclid i es diu constant de desintegració radiactiva, λ, que és sempre un valor conegut que està tabulat. Així:

  • A(t) = λ · N (t), sent t un instant de temps donat

El període de semidesintegració, T, d'un element radiactiu és l'interval de temps necessari perquè la quantitat de nuclis radiactius de la mostra es redueixi a la meitat. Aquest valor també és una constant coneguda que està tabulada, sent característica per a cada element:

  • T = Ln 2 / λ = 0'6931 / λ

El temps de vida mitjana, τ, d'un element radiactiu és el temps mitjà que triguen els nuclis a desintegrar-se, o el temps que passa, en mitjana, entre una desintegració i la següent. És una constant coneguda i tabulada, característica de cada substància, que resulta ser el nombre invers a la constant de desintegració radiactiva λ. Així:

  • τ = 1/λ

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]