Emissão alfa, decaimento gama e dopagem em semicondutores

Emissão alfa e partículas alfa

A emissão alfa, desintegração alfa ou decaimento alfa é uma forma de decaimento radioativo que ocorre quando um núcleo atômico instável emite uma partícula alfa, transformando-se em outro núcleo atômico com número atômico duas unidades menor e número de massa 4 unidades menor. A partícula alfa é composta pela mesma estrutura do núcleo do átomo de hélio. Uma partícula alfa é, portanto, um núcleo de hélio (dois prótons e dois nêutrons) sem os dois elétrons da eletrosfera: a emissão alfa tem esses dois elétrons removidos.

Portanto, a partícula alfa tem carga positiva +2 (em unidades atômicas de carga) e massa aproximadamente 4 unidades de massa atômica. As partículas alfa (α) são núcleos e têm forte interação com a matéria, sendo rapidamente absorvidas.

Tunelamento quântico e energia de ligação

A partícula α escapa do núcleo com maior frequência do que outros núcleos menores, como o deutério, devido à sua energia de ligação. A energia de ligação da partícula alfa é da ordem de E_α ≈ 28 MeV (aproximadamente 7 MeV por nucleon), comparada com o deutéron, cuja energia de ligação é E_d ≈ 2 MeV. O tunelamento quântico é a teoria capaz de explicar esse fenômeno de emissão: mesmo estando presa por uma barreira de potencial, a partícula tem probabilidade finita de atravessá-la e escapar do núcleo.

Decaimento gama — Raios gama

Raios gama são um tipo de radiação eletromagnética que resulta de uma reorganização das cargas elétricas no interior do núcleo. Um raio gama é um fóton de alta energia emitido pelo núcleo atômico. A única diferença entre um raio gama e os fótons de luz visível emitidos por uma lâmpada é o comprimento de onda: o comprimento de onda de um raio gama é centenas de milhares de vezes menor que o da luz visível (e, portanto, a frequência é centenas de milhares de vezes maior).

Em núcleos complexos de elementos pesados, há inúmeras configurações possíveis nas quais os prótons e nêutrons podem se rearranjar dentro do núcleo. Raios gama podem ser emitidos quando há uma transição entre essas configurações. Nem o número de massa nem o número atômico de um núcleo se alteram quando um raio gama é emitido; entretanto, a massa do núcleo sofre uma pequena diminuição, convertida na energia do fóton emitido.

Vácuo falso e inflação cosmológica

O vácuo falso é um estado metaestável e, após algum tempo, "decai" para o vácuo verdadeiro. Um exemplo ilustrativo ocorre quando resfriamos rapidamente o vapor d'água abaixo de seu ponto de condensação (100°C). O vapor, nesse estado super-resfriado, está em um vácuo falso: ao longo do tempo, gotículas de água se formam em seu interior e o vapor resfriado transforma-se em água líquida — o vácuo verdadeiro em temperaturas abaixo de 100°C (mas acima de 0°C). Ao decair, o vácuo falso libera uma grande quantidade de calor.

Segundo o modelo inflacionário, o Universo primordial também teria surgido a partir de um estado de vácuo falso. Durante essa fase, ele expandiu-se de forma extremamente rápida — daí o nome "inflação". Após algum tempo, o vácuo falso decaiu e o Universo passou a habitar seu vácuo verdadeiro, assim como a água no exemplo anterior. Durante a transição de um vácuo para outro, processo extremamente dramático e objeto de pesquisa, uma grande quantidade de calor foi liberada; esse calor, segundo o modelo, corresponde ao evento popularmente chamado de Big Bang. Para o modelo inflacionário, o Big Bang é produto do decaimento do vácuo falso para o vácuo verdadeiro.

Dopagem em semicondutores

A dopagem é um processo no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de um sólido para alterar suas propriedades elétricas. Em um cristal semicondutor, a dopagem é geralmente realizada para controlar a condutividade elétrica. Existem dois tipos básicos de semicondutores dopados: tipo N e tipo P, dependendo do tipo de impureza introduzida na rede.

Como impurezas químicas elementares aceitadoras (aceitam elétrons) figuram:

• Boro, alumínio, gálio, índio e tálio — todos trivalentes; com uso mais frequente do índio (são usados para constituir cristais semicondutores controlados do tipo P).

Como impurezas químicas elementares doadoras (doam elétrons) aparecem:

• Fósforo, arsênio, antimônio e bismuto — todos pentavalentes; com uso mais frequente do fósforo (são usados para constituir cristais semicondutores controlados do tipo N).

Assim, a dopagem permite a construção de cristais semicondutores com propriedades elétricas controladas, essenciais para dispositivos eletrônicos.