Desintegración alfa

Decaimiento alfa es el proceso radiactivo en el que un núcleo pesado emite una partícula alfa, un grupo estrechamente unido de dos protones y dos neutrones, idéntico a un núcleo de helio-4. El núcleo padre pierde dos unidades de carga y cuatro unidades de número másico, transformándose en un elemento diferente. La descomposición del uranio-238 en torio-234 es un ejemplo clásico.

Túneles a través de la barrera de Coulomb

Dentro del núcleo, la fuerza nuclear fuerte une a la partícula alfa, pero fuera de él, la alfa cargada positivamente es repelida por los protones restantes. Juntos crean un potencial barrera: un muro de energía más alto que la propia energía de la partícula alfa. Clásicamente la partícula nunca podía escapar. La mecánica cuántica le permite túnel a través de la barrera con una probabilidad pequeña pero distinta de cero. El modelo de túneles de George Gamow de 1928 fue uno de los primeros triunfos de la teoría cuántica, y explicó por qué las vidas medias van desde microsegundos hasta miles de millones de años.

El modelo también tiene en cuenta el Ley de Geiger-Nuttall, la fuerte relación entre la vida media de un isótopo y la energía del alfa emitido. Un pequeño aumento de la energía alfa adelgaza la barrera y acorta drásticamente la vida media, en muchos órdenes de magnitud.

Más allá de la simple construcción de túneles

La tunelización simple trata la partícula alfa como si ya existiera, completamente formada, dentro del núcleo. Los núcleos reales son más sutiles. Las descripciones modernas añaden un factor de preformación - la probabilidad de que cuatro nucleones realmente se agrupen en un alfa antes de que pueda ocurrir cualquier túnel. También tienen en cuenta la deformación nuclear, la estructura de la capa y el momento angular, todo lo cual aleja las tasas de desintegración de la simple estimación de Gamow. Estos refinamientos explican por qué algunos núcleos se desintegran más rápido o más lentamente de lo que predeciría la construcción de túneles por sí solos, y conectan la desintegración alfa con la física más amplia de la agrupación nuclear.

Un error común

La partícula alfa no gana energía para "trepar" la barrera. Su energía total permanece por debajo de la barrera superior en todo momento; la construcción de túneles es un pasaje genuinamente cuántico a través una región clásicamente prohibida, ni un salto térmico sobre ella. Ésta es la razón por la que las tasas de desintegración alfa son esencialmente independientes de la temperatura y la presión.