O que são as partículas a (alfa)?

Figura 1: Montagem utilizada para analisar o espectro de emissão do gás confinado em baixa pressão no tubo V. Pode-se notar um eletrodo para aplicar a alta tensão. Na ponta A foi montada uma fonte α de radônio. O vácuo parcial foi obtido manipulando-se adequadamente os vários tubos abertos e fechados para a atmosfera com válvulas acopladas.

Sabe-se que as partículas alfa são núcleos de hélio, isto é, elas são formadas por dois prótons e dois nêutrons, ligados. Alguns núcleos radioativos emitem espontaneamente raios alfa, e sabemos que os cientistas do século XIX usavam como fontes de radiação alfa o polônio. Os cientistas da época sabiam que se tratava de uma partícula de carga positiva através de observações em eletroscópios ( considerando a série tribo elétrica já conhecida )e de massa grande, pela observação do comportamento usando campos magnéticos. Os elétrons devem ser desviados para um lado, e a alfas para o lado oposto; já os raios X não apresentam deflexão. A identificação inequívoca da partícula alfa como núcleo de hélio foi feita através do estudo do espectro emitido na descarga de gás, colocando uma fonte alfa dentro de um tubo de descarga com alta tensão, mantido em baixa pressão. Veja na ilustração 1 um esquema do arranjo original. Dentro do tubo de descarga foi colocada uma fonte α de radônio e, depois de algum tempo de acúmulo, foi feita a descarga no gás aprisionado. (E. Segré, Dos raios X aos Quarks, 1980, “From X rays to Quarks” republicado em 2007, Dover, NY, página 103). Pela mecânica quântica sabe-se que uma partícula pode atravessar uma barreira finita de potencial. As partículas alfa são emitidas por núcleos instáveis que podem ser descritos por um potencial que apresenta uma parte estreita de onde se dá o tunelamento quântico.

O desenho esquemático abaixo mostra o potencial nuclear em função do raio.

Figura 2: Potencial nuclear em função do raio r ( 1 fermi=10^-13cm, MeV=10⁶ eV). Em (a) está mostrado um poço de potencial quadrado, em (b) um potencial mais realístico e em (c) o tunelamento de uma partícula.

O potencial nuclear, que representa um determinado núcleo radioativo, deve reproduzir as energias das partículas emitidas e também a probabilidade de emissão. Alguns núcleos emitem mais intensamente que outros, têm meias-vidas distintas e energias características. Os diversos isótopos do urânio existentes na natureza podem emitir partículas alfa e beta. Cada núcleo é descrito por um potencial nuclear com profundidade e raio adequados, de modo que sejam reproduzidas as características experimentalmente observadas, como representado na ilustração acima. Na parte (a) da figura está representado o potencial do nêutron, na parte (b) o do próton, note a repulsão coulombiana. Na parte (c) da figura acima está mostrado o potencial da partícula alfa, note a barreira centrífuga do potencial, somada à barreira coulombiana 2Z$e^2$/4πε0r, onde Z é o número atômico do núcleo, e a carga do elétron, ε0 é a permeabilidade elétrica do vácuo e r o raio. A linha pontilhada da figura mostra a parte da barreira que é atravessada pela partícula alfa. Essa barreira representa a probabilidade de emissão da partícula alfa, que está relacionada por sua vez à meia vida do núcleo radioativo. Muitas das experiências envolvendo partículas alfa foram feitas com fontes de Po (polônio), sem separação isotópica. Hoje em dia usa-se como fonte alfa o ²¹⁰Po ou o 241Am(amerício) que emitem de aproximadamente 5 MeV. O alcance dessas partículas no ar em pressão atmosférica normal é de aproximadamente 5 cm. Um papel pode frear completamente essas partículas. A fonte de ²¹⁰Po é mono energética de 5,3 MeV e tem meia vida de 138 dias. Já o ²⁴¹Am tem meia vida de 433 anos e tem duas raias, de 5,486 e 5,443 MeV. (A meia vida de um elemento radioativo é definida como o tempo em que a atividade cai para a metade da inicial.) Informações interessantes sobre o período de grandes descobertas encontram-se no livro “From X Rays to Quarks” de E. Segré, citado acima.

Curiosidade: Pelo procedimento de separação química do rádio a Mme. Curie, partindo de minério de urânio, descobriu um material muito mais radioativo que o próprio urânio, aliás, o termo radioatividade vem exatamente do nome dado por ela a esse elemento: o rádio (Ra). Ela chegou também num outro elemento químico radioativo, o polônio, nome dado em honra à sua terra natal a Polônia. O urânio, o rádio e o polônio são naturalmente instáveis e emitem partículas alfa.

Figura 3: Comportamento das partículas α, β e γ sob ação de um campo magnético. Figura extraída da tese de doutoramento da Mme Curie, mostrando o comportamento das partículas α, β e γ sob ação de um campo magnético (Segré, From X-rays to Quarks).