Альфа-частинка
| Альфа-частинка | |
 | |
| Маса | 6,6E−27 кг |
|---|---|
| Хімічна формула | He |
| Канонічна формула SMILES | [4He++] і [He+2][1] |
| Квантове число ізоспіну | 0 |
| Z-компонента ізоспіну | 0 |
| Магнітний момент | 0 J/T |
 Альфа-частинка у Вікісховищі | |
А́льфа-части́нка (α-частинка) — позитивно заряджена 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 у 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, урешті-решт, приєднує до себе два електрони, перетворюючись на нейтральний атом гелію.
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, залишила б його за час близько 10−23 секунди[2], але сильна взаємодія, навпаки, притягає її до ядра, причому зі значно більшою силою. Втім, сильна взаємодія має дуже обмежений радіус, тому якщо альфа-частинка опиниться на деякій відстані від ядра, то вона залишає його й розганяється кулонівськими силами до великої швидкості. Оскільки у квантовій механіці положення частинки є невизначеним, вона має деяку ймовірність тунелювати через потенційний бар'єр. Ця ймовірність залежить від висоти цього бар'єру, яка зменшується з ростом заряду 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.[3] Через це, альфа-розпад є більш характерним для важких ядер.
При альфа-розпаді виділяється енергія
![{\displaystyle Q=[M_{a}-M_{a-4}-M_{\alpha }]c^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dab9f26436fe82c2f436276c59dc2441b8b2f021)
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.[4] Найлегший ізотоп, для якого альфа-розпад спостерігається з немізерною ймовірністю це телур-106.[5]. 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.[6] Кінетична енергія альфа-частинок варіюється від 1.83 Мев(144Nd) до 11,65 Мев(ізомер 212mPo)[4]
Загалом відомо близько 300 ізотопів, у яких спостерігається альфа-розпад.[4] Найбільш практично важливими можна назвати:
- Торій-228, 229, 230, 232,
- Уран-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,
- Протактиній-231,
- Нептуній-237[7]
Рідкісна форма поділу ядра, як спровокованого тепловим нейтроном[8] так і спонтанного[9]. У кількох випадках на тисячу, ядро важкого елементу може розпастися на три (або більше) частини.[10] 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.[11]
Трохи менше за 10 % від усіх космічних променів складають альфа-частинки[12]. Природа виникнення космічних променів досі не є достатньо вивченою.
Альфа-частинка є сферично-симетричним об'єктом, має радіус приблизно 2×10−13 сантиметрів і заряд +2.
Маса 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'язаною й стабільною[13]
Спін і магнітний момент альфа-частинки дорівнює нулю, тобто альфа-частинка належить до бозонів.[14]
Після відкриття 1896 року Антуаном Беккерелем радіоактивності, а 1898 року 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 залежно від дії на частинки магнітного поля, а також проникної здатності[15]. 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.[16]
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: масивне й невелике атомне ядро в центрі атому, і електрони на великій відстані навколо нього. До цих експериментів найбільш поширеним уявленням про будову атому була модель Томпсона, або пудингова модель — позитивно заряджений атом, в якому, немов родзинки в 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]
Трансмутація елементів під час радіоактивного розпаду була відома ще з 1901 року, але 1917 року Резерфорд відкрив й 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]
Існують перспективи використання альфа-частинок для лікування ракових пухлин. За даними досліджень, для руйнування ракової клітини достатньо трьох влучань у 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 насиченій радоном воді, або приймання її внутрішньо, може бути корисною для здоров'я. Однак, використання таких процедур може бути пов'язане з радіаційною 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-частинки, що виділяються ним, активно іонізують повітря, після чого позитивні і негативні іони розділяються електричним полем.[21] Іонізоване повітря використовується для аеройонотерапії.
Ізотопи, що випромінюють альфа-частинки, широко використовуються в радіонуклідних батареях. Їхніми перевагами в цій якості є висока енергетичність альфа-частинок (наприклад, питома потужність полонія-210 становить 1200 ват на кубічний сантиметр), а також низька їх проникна здатність, через що знімати енергію можна на невеликій ділянці простору. Радіоізотопні джерела енергії активно використовуються в умовах відсутності доступу до зовнішніх джерел енергії, в першу чергу, в космічних апаратах.[7]
В іонізаційних детекторах диму є невелика кількість (менше мікрограму)[22] радіоактивної речовини (зазвичай, амеріцію у детекторах, що випускалися в США або плутонію, у виготовлених в СРСР). Альфа-частинки, що їх випромінює джерело, іонізують повітря у спеціальній камері детектору, завдяки чому, якщо вмістити в цю камеру два електроди, між ними починає текти струм. Коли частинки диму потрапляють до детектора, вони притягують вільні іони до себе, через що струм зменшується, що й реєструється приладом. Такі детектори є дешевшими за більш сучасні фотоелектричні, проте мають більші шанси на помилкові тривоги, а також, несуть радіаційні ризики в разі неправильної утилізації[23].
При обстрілюванні берилію-9 року льфа-частинками відбувається реакція
Альфа-частинки для цієї реакції отримують 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]
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 у конденсованих середовищах, і кількох сантиметрів — у повітрі.
Альфа-частинки взаємодіють з речовиною кількома способами:
Пружним розсіянням називається ситуація, при якій сумарна кінетична енергія після зіткнення не змінюється, а лише відбувається перерозподіл енергії й імпульсу між частинками.
Альфа-частинки практично не розсіюються на електронах через велику масу (максимальне відхилення альфа-частинок при розсіянні на електроні становить тридцять кутових секунд), а розсіяння на ядрі описується формулою Резерфорда:
де N — кількість 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 з урахуванням лише кулонівських сил, і тому не враховує різноманітні квантові ефекти.[25] Квантові ефекти враховано у формулі Мотта.
В результаті такого розсіяння електрон вибивається з атома, який, відповідно, 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'ятдесяти тисяч). Іонізація спричиняє велику кількість небезпечних хімічних реакцій (утворення вільних радикалів і т. ін.), тому для альфа-випромінювання відносна біологічна ефективність приймається рівною десяти (на цій шкалі за одиницю приймається біологічний ефект, створюваний електронами й гамма-випромінюванням).
Інтенсивність іонізації, створюваної 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]
У цьому випадку в 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]
- ↑ alpha particle
- ↑ Альфа-распад [Архівовано 22 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Альфа-распад [Архівовано 22 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ а б в альфа-распад [Архівовано 5 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Nuclear Wallet Cards [Архівовано 22 грудня 2016 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Альфа-распад. Кулоновский и центробежный барьеры. [Архівовано 21 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ а б ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ [Архівовано 25 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Triton and alpha emission in the thermal-neutron-induced ternary fission of U233, U235, Pu239, and Pu241(англ.)
- ↑ α-accompanied cold ternary fission of Pu238–244 isotopes in equatorial and collinear configuration(англ.)
- ↑ Ternary Fission [Архівовано 21 листопада 2016 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Ternary Fission Process [Архівовано 2 лютого 2017 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Що являють собою космічні промені?. Архів оригіналу за 22 листопада 2016. Процитовано 21 листопада 2016.
- ↑ Альфа-частица [Архівовано 24 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Альфа-частица [Архівовано 5 квітня 2017 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ О физиках и физике [Архівовано 23 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ What is the Alpha Particle? [Архівовано 23 листопада 2016 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Опыт Резерфорда [Архівовано 22 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Transmutation of the Elements [Архівовано 24 листопада 2016 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Альфа излучение-полезная радиоактивность [Архівовано 26 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Альфа-терапия [Архівовано 25 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Эксперименты с воздействием полониевого генератора на различных людей [Архівовано 25 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ How smoke detectors work [Архівовано 9 жовтня 2017 у Wayback Machine.](англ.)
- ↑ Военная и гражданская техника — датчики дыма [Архівовано 26 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Источники нейтронов [Архівовано 26 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ а б Взаимодействие альфа-частиц с веществом [Архівовано 23 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Альфа-излучение [Архівовано 21 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ Взаимодействие альфа- и бета-излучения с веществом [Архівовано 26 листопада 2016 у Wayback Machine.](рос.)
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.