Espectroscopia de partículas alfa

La espectrometría alfa (también conocida como espectroscopia alfa(de partículas) ) es el estudio cuantitativo de la energía de las partículas alfa emitidas por un nucleido radiactivo que es un emisor alfa .

Como las partículas alfa emitidas son monoenergéticas (es decir, no se emiten con un espectro de energías, como la desintegración beta ) y sus energías suelen ser distintas a las de la desintegración, pueden utilizarse para identificar de qué radionúclido se originaron. ^{[ 1 ]}

De izquierda a derecha, los picos se deben a ²⁰⁹ Po, ²³⁹ Pu, ²¹⁰ Po y ²⁴¹ Am. El hecho de que isótopos como ²³⁹ Pu y ²⁴¹ Am tengan más de una línea alfa indica que el núcleo (hijo) puede estar en diferentes niveles de energía discretos .

Calibración: El MCA no funciona con energía, sino con voltaje. Para relacionar la energía con el voltaje, es necesario calibrar el sistema de detección. En este caso, se colocaron diferentes fuentes emisoras de partículas alfa de energía conocida debajo del detector y se registró el pico de energía completo.

Medición del espesor de láminas delgadas: Se miden las energías de las partículas alfa provenientes de fuentes radiactivas antes y después de atravesar las láminas delgadas. Al medir la diferencia y utilizar SRIM, podemos determinar el espesor de dichas láminas.

La energía de desintegración, Q (también llamada valor Q de la reacción ), corresponde a una desaparición de masa.

Para la reacción nuclear de desintegración alfa: ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}}$, (donde P es el nucleido padre y D el nucleido hijo).

${\displaystyle Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })\ c^{2}}$o para expresarlo en las unidades más comunes: Q (M eV ) = -931,5 Δ M ( Da ), (donde Δ M = ΣM _productos - ΣM _reactivos ). ^{[ 3 ]}

Cuando el nucleido hijo y la partícula alfa formada se encuentran en sus estados fundamentales (algo común en la desintegración alfa), la energía total de desintegración se divide entre ambos en energía cinética (T):

${\displaystyle Q_{\alpha }=T_{\alpha }+T_{D}}$

El tamaño de T depende de la relación de masas de los productos y, debido a la conservación del momento (el momento del progenitor es igual a 0 en el momento de la desintegración), esto se puede calcular:

${\displaystyle p_{\alpha }+p_{D}=0}$

${\displaystyle T=0.5mv^{2}}$y${\displaystyle p=mv}$,${\displaystyle \therefore p={\sqrt {2mT}}}$

${\textstyle {\begin{aligned}{\sqrt {2m_{\alpha }T_{\alpha }}}&=-{\sqrt {2m_{D}T_{D}}}\\[4pt]2m_{\alpha }T_{\alpha }&=2m_{D}T_{D}\\[4pt]{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }&=T_{D}\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\alpha }&=T_{\alpha }+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}1+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}}{m_{D}}}+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}+m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]\end{aligned}}}$

${\displaystyle \therefore T_{\alpha }={\frac {m_{D}}{m_{P}}}Q_{\alpha }}$

La partícula alfa, o núcleo de ^4He , es una partícula con un enlace especialmente fuerte. Esto, sumado al hecho de que la energía de enlace por nucleón tiene un valor máximo cerca de A=56 y disminuye sistemáticamente para núcleos más pesados, crea la situación de que los núcleos con A>150 tienen valores Qα positivos _para la emisión de partículas alfa.

Por ejemplo, uno de los isótopos naturales más pesados,${\displaystyle {\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}}$(ignorando los cargos):

Q _α = -931,5 (234,043 601 + 4,002 603 254 13 - 238,050 788 2) = 4,2699 MeV ^{[ 4 ]}

Tenga en cuenta que la energía de desintegración se dividirá entre la partícula alfa y la partícula hija pesada que retrocede, de modo que la energía cinética de la partícula alfa (T _α ) será ligeramente menor:

T _α = (234,043 601 / 238,050 788 2) 4,2699 = 4,198 MeV, (tenga en cuenta que esto es para la reacción ^238g U a ^{234g Th, que en este caso tiene una} relación de ramificación del 79%). La energía cinética del núcleo hijo ²³⁴ Th de retroceso es T _D = (m _α / m _P ) Q _α = (4,002 603 254 13 / 238,050 788 2) 4,2699 = 0,0718 MeV o 71,8 keV, que si bien es mucho menor, sigue siendo sustancialmente mayor que la de los enlaces químicos (<10 eV), lo que significa que el nucleido hijo se separará de cualquier entorno químico en el que haya estado el padre.

La energía de retroceso es también la razón por la que los espectrómetros alfa, aunque funcionan a presión reducida, no se operan a una presión demasiado baja para que el aire ayude a evitar que el fragmento hijo de retroceso salga completamente de la fuente alfa original y cause graves problemas de contaminación si los fragmentos hijos son radiactivos. ^{[ 5 ]}

Los valores de Qα generalmente aumentan con el número atómico, pero la variación en la superficie de masa debida a los efectos de las capas puede enmascarar el aumento sistemático. Los picos pronunciados cerca de A = 214 se deben a los efectos de la capa N = 126.