Альфа-частинка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Alpha Decay.svg

А́льфа-части́нка (α-частинка) — позитивно заряджена, високоенергетична частинка, яка випромінюється ядрами деяких радіоактивних атомів. Потік α-частинок іноді називають α-променями. Кожна альфа-частинка складається з 2 нейтронів і 2 протонів, тобто є ядром атома гелію 4He2+.

Альфа-частинки, маючи в своєму складі два протони та два нейтрони, є подвійними магічними ядрами, тобто відзначаються особливою стабільністю.

Альфа-частинки є одним з продуктів спонтанного розпаду радіоактивних ізотопів, таких як радій чи торій. Процес емісії, альфа-розпад, трансформує один хімічний елемент на інший, знижуючи атомне (чи протонне) число на два та атомну масу (чи ядерне число) на чотири. Альфа-розпад можливий завдяки явищу квантового тунелювання. Кінетична енергія альфа-частинок, які утворюються під час альфа-розпаду, зазвичай становить кілька МеВ. При зіткненнях з атомами середовища новоутворена альфа-частинка сповільнюється, і, врешті-решт, приєднує до себе два електрони, перетворюючись на нейтральний атом гелію.

Джерела альфа-частинок[ред.ред. код]

Альфа-розпад[ред.ред. код]

Докладніше: Альфа-розпад

Найпоширеніше штучне джерело альфа-частинок — нестабільні важкі ізотопи, що розпадаються через альфа-канал. Альфа-розпад відбувається за рахунок двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і сильної. За рахунок кулонівських сил альфа-частинка відштовхується від ядра, і, за відсутності інших чинників, покинула б його за час 10-23 секунди[1], але сильна взаємодія, навпаки, притягає її до ядра, причому зі значно бльшою силою. Втім, сильна взаємодія має дуже обмежений радіус, тому якщо альфа-частинка опиниться на деякій відстані від ядра, то, розганяєма кулонівськими силами, вона покине його з великою швидкістю. Оскільки, в квантовій механіці положення частинки є невизначенним, вона має деяку ймовірність тунелювати через потенційний бар'єр. Ця ймовірність залежить від висоти цього бар'єру, яка зменшується з ростом заряда ядра. Це пов'язано з тим, що далекодійні електромагнітні сили, відштовхують частинку від кожного протону ядра, тоді як близькодійні ядерні сили притягують її лише до найближчих нуклонів.[2] Через це, альфа-розпад є більш характерним для важких ядер.

При альфа розпаді виділяється енергія

Де M - маси початкового ядра, ядра, з кількістю протонів і нейтронів меншою на 2, і ядра альфа-частинки відповідно. Якщо Q > 0, то реакція стає енергетично вигідною, а отже альфа-частинка має шанс подолати потенційний бар'єр, і вийти з ядра.[3] Найлегший ізотоп, для якого альфа-розпад спостерігається з немізерною ймовірністю це телур-106.[4]. Легкі ізотопи, наприклад, берилій-8, також утворюють альфа-частинки при розпаді, проте розпад таких ядер часто не відносять до альфа-розпадів, але до поділу складних ядер.[5] Кінетична енергія альфа-частинок варіюється від 1.83 Мев(144Nd) до 11,65 Мев(ізомер 212mPo)[3]

Загалом відомо близько 300 ізотопів, у яких спостерігається альфа-розпад.[3] Найбільш практично важливими можна назвати:

  • Торій-228, 229, 230, 232,
  • Урану-232, 233, 234, 235, 236, 238,
  • Плутоній-238, 239, 240, 241, 242,
  • Кюрій-242, 243, 244, 245, 246,
  • Каліфорній 249, 250, 251, 252,
  • Гадоліній-148 і 150,
  • Америцій-241 і 243,
  • Полоній-210,
  • Самарій-146,
  • Берклій-247,
  • Радій-226,
  • Актиний-227,
  • Протактиний-231,
  • Нептуний-237[6]

Потрійний розпад[ред.ред. код]

Рідкісна форма поділу ядра, як спровокованого тепловим нейтроном[7] так і спонтанного[8]. У кількох випадках на тисячу, ядро важкого елементу може розпастися на три (або більше) частини. [9] В таких реакціях, в більшості випадків одним з продуктів розпаду є альфа-частинка.

Кінетична енергія альфа-частинок, що виділяються при потрійному розпаді значно вища, за енергію продуктів альфа-розпаду, і в середньому складає 16 мЕв.[10]

Космічні промені[ред.ред. код]

Трохи менше за 10% від усіх космічних променів складають альфа-частинки. [11] Природа виникнення космічних променів досі не є достатньо вивчинеми.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Яльфа частинка є сферично-симметричним об'єктом, радіусом приблизно 2×10-13 сантиметрів із зарядом +2.

Масса альфа-частинки складає 3,727 ГеВ, що відповідає 4,0015 а.о.м. або 6,645×10-27 кілограмів.

Для розділення альфа-частинки на складові, потрібно витратити 28,3 МеВ (7,08 МеВ на нуклон), тобто альфа-частинка є дуже сильно зв'язанною, і стабільною[12]

Спін і магнітний момент альфа-частинки дорівнює нулю, тобто альфа-частинка відноситься до бозонів.[13]

Історія[ред.ред. код]

Відкриття[ред.ред. код]

Після відкриття у 1896 році Антуаном Беккерелем радіоактивності, а у 1898 році П'єром і Марією Кюрі радію, фізики отримали потужні джерела радіоактивного випромінювання, що дало поштовх для подальших досліджень.

У 1899 і 1900 роках, паралельно Ернест Резерфорд, працюючи у Монреалі і Поль Віллар у Парижі, розділили усі джерела радіоактивного випромінювання на три типи в залежності від дії на частинки магнітного поля а також проникної здатності[14]. Альфа-променями Резерфорд назвав частинки з найменшою проникною здатністю і позитивним зарядом (два інші типи отримали назву бета- і гамма-випромінвання). Також він підрахував відношення маси альфа-частинки до її заряду, і, виходячи з цих даних, припустив, що частинка є двічі іонізованим атомом гелію. У 1908 році, Резерфорд підтвердив це припущення, показавши, що альфа-випромінювання супроводжується появою атомів гелію. Для цього радіоактивне джерело було розміщено в скляній ампулі з дуже тонкими стінками, що пропускали альфа-частинки. Ця ампула була поміщена в іншу, з товщими стінками. Через деякий час після початку експерименту, за допомогою спектроскопії було показано, що у зовнішній ампулі накопичився гелій.[15]

Експеримент з золотою фольгою[ред.ред. код]

розсіювання альфа-частинок на металевій фользі

У 1911, продовжуючи досліджувати альфа-частинки, Резерфорд разом з Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом провели свій славнозвісний експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги. У цьому експерименті золота фольга, товщиною менше мікрону (за такої товщини, у фользі було лише кілька сотень шарів атомів) обстрілювалася альфа-частинками, що вилітали з радієвого джерела, а після проходження через фольгу замірялися кути, на які альфа частинки розсіювалися. Під час цього експерименту було відкрито, що, хоча зазвичай при прольоті через тонкий шар речовини, альфа-частинка лише відхиляється на невеликий кут, проте зрідка (приблизно в одному випадку на 8000) відбивається назад. Ці експерименти врешті решт призвели до відкриття сучасних уявлень про будову атому: важке і невелике атомне ядро в центрі атому, і електрони на великій відстані навколо нього.[16] До цих експериментів, найбільш поширеним уявленням про будову атому була модель Томпсона, або пудингова модель — позитивно заряджений атом, в якому, немов родзинки у кексі, сидять електрони. Але ця модель ніяк не могла пояснити поведінку альфа-частинок: легкий електрон не міг відбити важку альфа-частинку, а ніяких інших структурних елементів ця модель не передбачала.[17]

Ядерні реакції[ред.ред. код]

Трансмутація елементів під час радіоактивного розпаду була відома ще з 1901 року, але у 1917 році Резерфорд відкрив і інший тип перетворень. Випускаючи альфа-частинки в повітря він помітив, що це призводить до виникнення іонів водню. Пізніше було показано, що причиною цього є реакція альфа-частинок з азотом, що породжувала нестабільний ізотоп оксигену і протон:

14N + α → 17O + p

Це було першою відкритою ядерною реакцією.[18]

Використання[ред.ред. код]

У медицині[ред.ред. код]

Існують перспективи використання альфа-частинок для лікування ракових пухлин. За даними досліджень, для руйнування ракової клітини достатньо трьох влучань в неї альфа-частинки, тоді як при використанні бета-променів потрібно кілька тисяч влучань. Крім того, низька проникна здатність альфа-частинок дозволяє використовувати їх більш точково. [19]

Іншим медичним застосуванням альфа-частинок є радонові ванни - за деякими даними, купання у насиченній радоном воді, або приймання її внутрішньо, може бути корисною для здоров’я. Однак, використання таких процедур може бути спряженним з радиаційною небезпекою через те, що при них шкіра і легені опромінюються сильніше, ніж інші органи, що може підвищувати ризик розвитку пухлин в них.[20]

Також альфа-частинки, завдяки своїм іонізуючим властивостям, використовуються в іонізаторах. Конструктивним елементом ізотопного іонізатора може виступати джерело альфа-випромінювання. Альфа-чатинки, що виділяються ним, активно іонізують повітря, після чого позитивні і негативні іони розділяються електричним полем.[21] Іонізоване повітря використовується для аеройонотерапії.

Радіоізотопні джерела енергії[ред.ред. код]

Ізотопи, що випромінюють альфа-частинки широко використовуються як радіонуклідні батареї. Їхніми перевагами в цій якості є висока енергетичність альфа-частинок (наприклад, питома потужність полонія-210 складає 1200 ватт на кубічний сантиметр), а також низька їх проникна здатність, через що знімати енергію можна в невеликій області простору. Радіоізотопні джерела енергії активно використовуються в умовах відсутності доступу до зовнішніх джерел енергії, в першу чергу, в космічних апаратах. [6]

Детектори диму[ред.ред. код]

У іонізаційних детекторах диму присутня невелика кількість (менше мікрограму)[22] радіоактивної речовини, зазвичай, амеріцію у детекторах, що випускалися в США або плутонію, у виготовленних в СРСР. Альфа-частинки, що їх випускає джерело, іонізують повітря у спеціальній камері детектору, завдяки чому, якщо помістити в цю камеру два електроди, між ними починає бігти струм. Частинки диму притягують вільні іони до себе, через що струм зменшуєтья, що і реєструється приладом. Такі детектори є дешевшими за більш сучасні фотоелектричні, проте мають більші шанси на помилкові тривоги, а також, несуть радіаційні ризики в разі їхньої неправильної утилізації[23].

Джерела нейтронів[ред.ред. код]

При обстрілюванні берилію-9 альфа-частинками відбувається реакція

Альфа-частинки для цієї реакції отримуються при розпаді радію або плутонію. Такі джерела є порівняно недорогими і простими у використанні. Один грам радію дає вихід у 107 нейтронів за секунду, тобто приблизно один нейтрон на 3000 випущених альфа-частинок.

Недоліком таких джерел є широкий енергетичний спектр нейтронів на виході, а також гамма-кванти, що також утворюються при цій реакції. [24]

Взаємодія з речовиною[ред.ред. код]

Завдяки значній кінетичній енергії альфа-частинки дуже інтенсивно взаємодіють з атомами середовища. Довжина їх пробігу пропорційна кубу початкової швидкості (або четвертому ступеню швидкості для частинок з початковою енергією більшою за 11 МеВ), але не перевищує кількох міліметрів в конденсованих середовищах, і кількох сантиметрів в повітрі.

Альфа-частинки взаємодіють з речовиною кількома способами:

Пружне розсіяння[ред.ред. код]

Пружним розсіянням називається ситуація, при якій сумарена кінетична енергія після зіткнення не змінюється, а лише відбувається перерозподіл енергії і імпульсу між частинками.

Альфа-частинки практично не розсіюються на електронах через велику масу (максимальне відхилення альфа-частинок при розсіянні на електроні складає тридцять кутових секунд), а розсіяння на ядрі описується формулою Резерфорда:

де N — число частинок, що падають на одиницю площі мішені за 1 секунду, n — об'ємна концентрація ядер, d — товщина мішені, Z — заряд ядра-розсіювача, z, m і v — заряд, маса и швидкість частинки. Ця формула побудована лише з урахуванням кулонівських сил, і тому не враховує різноманітні квантові ефекти. [25]Рівняння, що враховує ці тонкі ефекти називається формула Мотта.

Непружне розсіяння на електронах[ред.ред. код]

Крива Брега для частинок з енергією 5,49 МеВ

В результаті такого розсіяння електрон вибивається з атому, який, відповіно, іонізується, а сама альфа-частинка втрачає деяку частину своєї енергії. Через заряд +2, велику масу і запаси кінетичної енергії, під час пробігу, альфа-частинка дуже активно іонізує атоми на своєму шляху, (декілька тисяч пар іонів на мікрон пробігу у біологічних тканинах[26], загальна кількість атомів, іонізованих однією частинкою може досягати двохсот п'ятидесяти тисяч). Іонізація спричиняє велику кількість небезпечних хімічних реакцій (утворення вільних радикалів і т.п), тому для альфа-випромінювання відносна біологічна ефективність приймається рівною десяти (на цій шкалі за одиницю приймається біологічний ефект, створюваний електронами і гамма випромінюванням).

Інтенсивність іонізації, створюванної альфа-частинкою, нелінійно залежить від її енергії. Цю залежність демонструє крива Бреґґа. З неї видно, що найбільш інтенсивно альфа-частинка втрачає енергію незадовго до зупинки.[25]

Непружне розсіяння на ядрах[ред.ред. код]

У цьому випадку у альфа-частинки вистачає енергії для того, щоб перескочити через кулонівський бар'єр, і злитися з ядром. Після цього, зазвичай, утворюється проміжне нестабільне ядро, що невдовзі розпадається, виділяючи нейтрони, гамма-кванти або заряджені частинки. [27]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Альфа-распад(рос.)
  2. Альфа-распад(рос.)
  3. а б в альфа-распад(рос.)
  4. Nuclear Wallet Cards(англ.)
  5. Альфа-распад. Кулоновский и центробежный барьеры.(рос.)
  6. а б ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ(рос.)
  7. Triton and alpha emission in the thermal-neutron-induced ternary fission of U233, U235, Pu239, and Pu241(англ.)
  8. α-accompanied cold ternary fission of Pu238–244 isotopes in equatorial and collinear configuration(англ.)
  9. Ternary Fission(англ.)
  10. Ternary Fission Process(англ.)
  11. Що являють собою космічні промені?
  12. Альфа-частица(рос.)
  13. Альфа-частица(рос.)
  14. О физиках и физике(рос.)
  15. What is the Alpha Particle?(англ.)
  16. Везіння Резерфорда
  17. Опыт Резерфорда(рос.)
  18. Transmutation of the Elements(англ.)
  19. Альфа излучение-полезная радиоактивность(рос.)
  20. Альфа-терапия(рос.)
  21. Эксперименты с воздействием полониевого генератора на различных людей(рос.)
  22. How smoke detectors work(англ.)
  23. Военная и гражданская техника - датчики дыма(рос.)
  24. Источники нейтронов(рос.)
  25. а б Взаимодействие альфа-частиц с веществом(рос.)
  26. Альфа-излучение(рос.)
  27. Взаимодействие альфа- и бета-излучения с веществом(рос.)

Література[ред.ред. код]