Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Альфа-частица
Alpha Decay.svg
Сочинение2 протона, 2 нейтрона
СтатистикаБозонный
Символα, α 2+ , He 2+
Масса6,644 657 230 (82) × 10 −27  кг [1]

4.001 506 179 127 (63)  ед.

3,727 379 378 (23)  ГэВ / c 2
Электрический заряд+2  e
Вращение0 [2]

Альфа-частицы , также называемые альфа-лучами или альфа-излучением , состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия-4 . Обычно они образуются в процессе альфа-распада , но могут быть получены и другими способами. Альфа - частицы были названы в честь первой буквы в греческом алфавите , альфа . Символ альфа-частицы - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда пишут как He2+
 или же 4
2Он2+
указывает на ион гелия с зарядом +2 (без двух электронов). Как только ион получает электроны из окружающей среды, альфа-частица становится нормальным (электрически нейтральным) атомом гелия.4
2Он .

Чистый спин альфа-частиц равен нулю. Из-за механизма их образования при стандартном альфа- радиоактивном распаде альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5  МэВ и скорость около 4% от скорости света . (См. Ниже обсуждение пределов этих цифр в альфа-распаде.) Они представляют собой высокоионизирующую форму излучения частиц и (когда возникают в результате радиоактивного альфа-распада ) обычно имеют низкую глубину проникновения (останавливаются несколькими сантиметрами воздуха или кожи ).

Однако так называемые дальнодействующие альфа- частицы в результате тройного деления в три раза более энергичны и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, которые образуют 10–12% космических лучей , также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем те, которые образуются в процессах ядерного распада, и, таким образом, могут быть очень проникающими и способны проходить через тело человека, а также на многие метры плотной твердой защиты, в зависимости от на их энергию. В меньшей степени это справедливо также для ядер гелия очень высоких энергий, произведенных на ускорителях частиц.

Имя [ редактировать ]

Некоторые научные авторы используют дважды ионизованные ядра гелия ( He2+
) и альфа-частицы как взаимозаменяемые термины. Номенклатура не определена, и , таким образом , не все ядра гелия высокой скорости, по мнению всех авторов , чтобы быть альфа - частицы. Как и в случае с бета- и гамма- частицами / лучами, название, используемое для частицы, несет некоторые мягкие коннотации о процессе ее производства и энергии, но они не применяются строго. [3] Таким образом, альфа-частицы можно свободно использовать в качестве термина, когда речь идет о реакциях звездного ядра гелия (например, альфа-процессах ), и даже когда они возникают как компоненты космических лучей . Версия альфа-альфа с более высокой энергией, чем образуется при альфа-распаде, является обычным продуктом необычногоРезультат ядерного деления называется тройным делением . Однако ядра гелия, образованные ускорителями частиц ( циклотронами , синхротронами и т.п.), с меньшей вероятностью будут называться «альфа-частицами».

Источники альфа-частиц [ править ]

Альфа-распад [ править ]

Физик наблюдает альфа-частицы от распада источника полония в камере Вильсона.
Альфа-излучение обнаружено в камере Вильсона изопропанола (после введения искусственного источника радона-220).
Основная статья: Альфа-распад

Самый известный источник альфа-частиц - альфа-распад более тяжелых ( атомный вес > 106 u ) атомов. Когда атом испускает альфа-частицу в альфа-распаде, массовое число атома уменьшается на четыре из-за потери четырех нуклонов в альфа-частице. Атомный номер атома идет вниз на два, в результате потери двух протонов - атом становится новым элементом. Примерами такого рода трансмутации ядер в результате альфа-распада являются распад урана в торий и радий в радон .

Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивными ядрами, такими как уран , торий , актиний и радий , а также трансурановыми элементами. В отличие от других типов распада, альфа-распад как процесс должен иметь атомное ядро ​​минимального размера, которое может его поддерживать. Самые маленькие ядра, имеющие до настоящего времени было установлено, что способен альфа - излучения являются бериллий-8 и наиболее легкие нуклиды из теллура (элемент 52), с массовыми числами между 104 и 109. альфа - распад иногда оставляет ядро в возбужденном состоянии; излучение гамма-излучения затем удаляет избытокэнергия .

Механизм образования при альфа-распаде [ править ]

В отличие от бета-распада , фундаментальные взаимодействия, ответственные за альфа-распад, представляют собой баланс между электромагнитной силой и ядерной силой . Альфа-распад является результатом кулоновского отталкивания [2] между альфа-частицей и остальной частью ядра, оба из которых имеют положительный электрический заряд , но сдерживаются ядерной силой . В классической физике у альфа-частиц недостаточно энергии, чтобы покинуть потенциальную яму от сильной силы внутри ядра (эта скважина включает в себя уход от сильной силы, поднимающейся вверх с одной стороны ямы, за которой следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивание вниз с другой стороны).

Однако эффект квантового туннелирования позволяет альфам ускользать, даже если у них недостаточно энергии для преодоления ядерной силы . Это допускается волновой природой материи, которая позволяет альфа-частице проводить некоторое время в области, настолько далекой от ядра, что потенциал отталкивающей электромагнитной силы полностью компенсирует притяжение ядерной силы. С этого момента альфа-частицы могут улетать.

Тройное деление [ править ]

Альфа-частицы с особой энергией, образующиеся в результате ядерного процесса, образуются в относительно редком (один из нескольких сотен) процессе ядерного деления тройного деления . В этом процессе из события образуются три заряженные частицы вместо обычных двух, причем наименьшая из заряженных частиц, наиболее вероятно (с вероятностью 90%), является альфа-частицей. Такие альфа-частицы называются «альфа-частицами дальнего действия», поскольку при их типичной энергии 16 МэВ они имеют гораздо более высокую энергию, чем когда-либо производились при альфа-распаде. Тройное деление происходит как при нейтронно-индуцированном делении ( ядерная реакция, которая происходит в ядерном реакторе), так и при делении делящихся и делящихся актинидов.нуклиды (т. е. тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанному делению как форма радиоактивного распада. Как при индуцированном, так и при спонтанном делении более высокие энергии, доступные в тяжелых ядрах, приводят к дальнодействующим альфа с более высокой энергией, чем при альфа-распаде.

Ускорители [ править ]

Энергичные ядра гелия (ионы гелия) могут быть получены на циклотронах , синхротронах и других ускорителях частиц . Принято считать, что их обычно не называют «альфа-частицами».

Реакции солнечного ядра [ править ]

Как уже отмечалось, ядра гелия могут участвовать в ядерных реакциях в звездах, и иногда исторически они назывались альфа-реакциями (см., Например, тройной альфа-процесс ).

Космические лучи [ править ]

Кроме того, ядра гелия чрезвычайно высоких энергий, которые иногда называют альфа-частицами, составляют от 10 до 12% космических лучей . Механизмы образования космических лучей продолжают обсуждаться.

Энергия и поглощение [ править ]

Энергия альфа-частицы, испускаемой при альфа-распаде , слабо зависит от периода полураспада для процесса эмиссии, причем различия в периоде полураспада на много порядков величины связаны с изменениями энергии менее 50%.

Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется, причем альфа-частицы с более высокой энергией испускаются из более крупных ядер, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7  МэВ ( мегаэлектронвольт ), что соответствует чрезвычайно долгому и чрезвычайно короткому периоду полураспада альфа-излучающие нуклиды соответственно.

С типичной кинетической энергией 5 МэВ; скорость испускаемых альфа-частиц составляет 15 000 км / с, что составляет 5% от скорости света. Эта энергия является значительным количеством энергии для отдельной частицы, но их высокая масса означает, что альфа-частицы имеют более низкую скорость, чем любой другой распространенный тип излучения, например β-частицы , нейтроны . [4]

Из-за своего заряда и большой массы альфа-частицы легко поглощаются материалами и могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров. Они могут абсорбироваться папиросной бумагой или внешними слоями кожи человека. Обычно они проникают через кожу примерно на 40  микрометров , что эквивалентно глубине нескольких клеток .

Биологические эффекты [ править ]

Основная статья: относительная биологическая эффективность

Из-за небольшого диапазона абсорбции и невозможности проникновения через внешние слои кожи альфа-частицы, как правило, не опасны для жизни, если их источник не проглатывается или не вдыхается. [5] Из-за этой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании Торотраста для получения высококачественных рентгеновских изображений до 1950-х годов) , альфа-излучение - самая разрушительная форма ионизирующего излучения . Он является наиболее ионизирующим и при достаточно больших дозах может вызвать любые или все симптомы радиационного отравления . Считается, что хромосомаУщерб от альфа-частиц от 10 до 1000 раз больше, чем ущерб, нанесенный эквивалентным количеством гамма- или бета-излучения, при этом среднее значение установлено в 20 раз. Исследование европейских ядерщиков, подвергшихся внутреннему воздействию альфа-излучения плутония и урана, показало, что, когда относительная биологическая эффективность считается равной 20, канцерогенный потенциал (с точки зрения рака легких) альфа-излучения, по-видимому, согласуется с сообщенным для доз внешнее гамма-излучение, т.е. заданная доза вдыхаемых альфа-частиц, представляет такой же риск, как и доза гамма-излучения, в 20 раз превышающая ее. [6] Мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм 210 По испускает столько же альфа-частиц в секунду, как 4,215 грамма 226Ra ) подозревается играет роль в рак легких и рак мочевого пузыря , связанных с курением табака . [7] 210 По был использован для убийства российского диссидента и бывшего офицера ФСБ Александра В. Литвиненко в 2006 году. [8]

Когда изотопы, излучающие альфа-частицы, попадают в организм, они намного опаснее, чем можно было бы предположить по их периоду полураспада или скорости распада, из-за высокой относительной биологической эффективности альфа-излучения по причинению биологического ущерба. Альфа-излучение в среднем примерно в 20 раз опаснее, а в экспериментах с вдыхаемыми альфа-излучателями до 1000 раз опаснее [9], чем эквивалентная активность бета-излучающих или гамма-излучающих радиоизотопов.

История открытия и использования [ править ]

Альфа-излучение состоит из ядра гелия-4 и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение, состоящее из электронов , задерживается алюминиевой пластиной. Гамма-излучение в конечном итоге поглощается, проникая в плотный материал. Свинец хорошо поглощает гамма-излучение благодаря своей плотности.
Альфа-частица отклоняется магнитным полем
Рассеивание альфа-частиц на тонком металлическом листе

В 1899 году физики Эрнест Резерфорд (работающий в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Пол Виллар (работающий в Париже) разделили излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал альфа, бета и гамма излучением, основанным на проникновении объектов и отклонении излучением. магнитное поле. [10] Альфа-лучи были определены Резерфордом как лучи с наименьшим проникновением среди обычных объектов.

Работа Резерфорда также включала измерения отношения массы альфа-частицы к ее заряду, что привело его к гипотезе о том, что альфа-частицы являются двухзарядными ионами гелия (позже выяснилось, что это голые ядра гелия). [11] В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказали, что альфа-частицы действительно являются ионами гелия. [12] Для этого они позволили альфа-частицам проникнуть через очень тонкую стеклянную стенку откачанной трубки, захватив, таким образом, большое количество предполагаемых ионов гелия внутри трубки. Затем они вызвали электрическую искрувнутри трубки. Последующее исследование спектров образовавшегося газа показало, что это был гелий, и что альфа-частицы действительно были предполагаемыми ионами гелия.

Поскольку альфа-частицы возникают в природе, но могут иметь достаточно высокую энергию , чтобы участвовать в ядерной реакции , их изучение привело к очень ранним знаниям ядерной физики . Резерфорд использовал альфа - частицу , испускаемый бромид радия , чтобы сделать вывод , что Томсон «ы Плы пудинга модель атома была существенно испорчена. В эксперименте Резерфорда с золотой фольгой, проведенном его учениками Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом , был установлен узкий пучок альфа-частиц, проходящих через очень тонкую (толщиной в несколько сотен атомов) золотую фольгу. Альфа-частицы были обнаружены сульфидом цинка.экран, который излучает вспышку света при столкновении альфа-частицы. Резерфорд предположил, что, если предположить, что модель атома « сливового пудинга » верна, положительно заряженные альфа-частицы будут лишь слегка отклоняться, если вообще будут отклоняться предсказанным дисперсным положительным зарядом.

Было обнаружено, что некоторые из альфа-частиц отклонялись на гораздо большие углы, чем ожидалось (по предложению Резерфорда проверить это), а некоторые даже отскакивали почти прямо назад. Хотя большая часть альфа-частиц прошла прямо, как и ожидалось, Резерфорд заметил, что несколько отраженных частиц были сродни выстрелу пятнадцатидюймовой снаряда в папиросную бумагу только для того, чтобы она отскочила, снова предполагая, что теория «сливового пудинга» верна. . Было определено, что положительный заряд атома был сосредоточен в небольшой области в его центре, что делало положительный заряд достаточно плотным, чтобы отклонять любые положительно заряженные альфа-частицы, которые подошли близко к тому, что позже было названо ядром.

До этого открытия не было известно, что альфа-частицы сами являются атомными ядрами, а также не было известно о существовании протонов или нейтронов. После этого открытия от модели "сливового пудинга" Дж. Дж. Томсона отказались, а эксперимент Резерфорда привел к модели Бора, а затем и к современной волново-механической модели атома.

Потери энергии ( кривая Брэгга ) в воздухе для типичных альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде.
След одиночной альфа-частицы, полученный ядерным физиком Вольфхартом Виллимчиком с его искровой камерой, специально созданной для альфа-частиц.

В 1917 году Резерфорд использовал альфа-частицы, чтобы случайно произвести то, что он позже понял как направленную ядерную трансмутацию одного элемента в другой. Трансмутация элементов из одного в другой понималась с 1901 года как результат естественного радиоактивного распада , но когда Резерфорд спроецировал альфа-частицы из альфа-распада в воздух, он обнаружил, что это привело к появлению нового типа излучения, которое оказалось ядрами водорода (Резерфорд назвал эти протоны ). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны происходят из азотного компонента воздуха, и было установлено, что реакция представляет собой превращение азота в кислород в реакции

14 N + α → 17 O + p 

Это была первая обнаруженная ядерная реакция .

К соседним изображениям: Согласно кривой потерь энергии Брэгга можно распознать, что альфа-частица действительно теряет больше энергии в конце следа. [13]

Анти-альфа-частица [ править ]

В 2011 году члены международного сотрудничества СТАР использованием Релятивистская коллайдер тяжелых ионов на Департамент энергетики США «ы Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили антивещества партнер ядра гелия, также известный как анти-альфа. [14] В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся лицом к лицу, чтобы произвести античастицу. [15]

Приложения [ править ]

  • Некоторые детекторы дыма содержат небольшое количество альфа-излучателя америция-241 . Альфа-частицы ионизируют воздух в небольшом промежутке. Через этот ионизированный воздух проходит небольшой ток . Частицы дыма от огня, попадающие в воздушный зазор, уменьшают ток, вызывая тревогу. Изотоп чрезвычайно опасен при вдыхании или проглатывании, но опасность минимальна, если источник держать закрытым. Многие муниципалитеты разработали программы по сбору и утилизации старых детекторов дыма, чтобы не допустить их попадания в общий поток отходов.
  • Альфа-распад может обеспечить безопасный источник энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для космических зондов и искусственных кардиостимуляторов . От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада. Плутоний-238 , источник альфа-частиц, требует всего 2,5 мм свинцовой защиты для защиты от нежелательного излучения.
  • В нейтрализаторах статического электричества обычно используется полоний-210 , альфа-излучатель, для ионизации воздуха, что позволяет « статическому электричеству » быстрее рассеяться.
  • В настоящее время исследователи пытаются использовать разрушительную природу альфа-излучающих радионуклидов внутри тела, направляя небольшие количества в опухоль . Альфа повреждают опухоль и останавливают ее рост, а их небольшая глубина проникновения предотвращает радиационное повреждение окружающей здоровой ткани. Этот тип лечения рака называется лучевой терапией с открытым источником .

Альфа-излучение и ошибки DRAM [ править ]

Основная статья: Мягкая ошибка § Альфа-частицы от распада упаковки

В компьютерных технологиях « мягкие ошибки » динамической оперативной памяти (DRAM) были связаны с альфа-частицами в 1978 году в чипах Intel DRAM. Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в целом считается решенной. [16]

См. Также [ править ]

  • Альфа-нуклид
  • Бета-частица
  • Космические лучи
  • Гелион , ядро гелия-3, а не гелия-4
  • Список альфа-излучающих материалов
  • Резерфордское рассеяние
  • Ядерная физика
  • Физика элементарных частиц
  • Радиоактивный изотоп
  • Лучи:
    • β (бета) лучи
    • γ Гамма-лучи
    • δ Дельта луч
    • ε Эпсилон излучение

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Значение КОДА: масса альфа-частицы» . NIST . Проверено 15 сентября 2011 года .
  2. ^ a b Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . Джон Вили и сыновья . С. 246–269. ISBN 978-0-471-80553-3.
  3. ↑ Дорогой, Дэвид. «Альфа-частица» . Энциклопедия науки . Архивировано 14 декабря 2010 года . Проверено 7 декабря 2010 года .
  4. ^ NB. Поскольку гамма-лучи являются электромагнитными ( световыми ), они движутся со скоростью света ( c ). Бета-частицы часто движутся с большой долей c и превышают 60%  c, если их энергия> 64 кэВ, что обычно и бывает. Скорость нейтронов ядерных реакций колеблется от 6%  c для деления до 17%  c для синтеза.
  5. ^ Кристенсен, DM; Иддинс, CJ; Шугарман, SL (2014). «Ионизирующие лучевые поражения и болезни». Клиники неотложной медицины Северной Америки . 32 (1): 245–65. DOI : 10.1016 / j.emc.2013.10.002 . PMID 24275177 . 
  6. ^ Греллье, Джеймс; и другие. (2017). «Риск смертности от рака легких у ядерщиков в результате внутреннего облучения радионуклидами, излучающими альфа-частицы» . Эпидемиология . 28 (5): 675–684. DOI : 10.1097 / EDE.0000000000000684 . PMC 5540354 . PMID 28520643 .  
  7. ^ Рэдфорд, Эдвард П .; Хант, Вилма Р. (1964). «Полоний-210: летучий радиоэлемент в сигаретах». Наука . 143 (3603): 247–249. Bibcode : 1964Sci ... 143..247R . DOI : 10.1126 / science.143.3603.247 . PMID 14078362 . 
  8. ↑ Коуэлл, Алан (24 ноября 2006 г.). «Радиационным отравлением убит бывший российский шпион» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 сентября 2011 года .
  9. ^ Литтл, Джон Б.; Кеннеди, Энн Р .; МакГенди, Роберт Б. (1985). "Влияние мощности дозы на индукцию экспериментального рака легкого у хомяков α-излучением". Радиационные исследования . 103 (2): 293–9. Bibcode : 1985RadR..103..293L . DOI : 10.2307 / 3576584 . JSTOR 3576584 . PMID 4023181 .  
  10. ^ Резерфорд выделил и назвал α- и β-лучи на странице 116: Э. Резерфорд (1899) «Урановое излучение и производимая им электрическая проводимость», Philosophical Magazine , Series 5, vol. 47, нет. 284, страницы 109–163. Резерфорд назвал γ-лучи на странице 177 книги: E. Rutherford (1903) «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия», Philosophical Magazine , Series 6, vol. 5, вып. 26, страницы 177–187.
  11. ^ Геллеманс, Александр; Букет, Брайан (1988). Расписания науки . Саймон и Шустер . п. 411. ISBN 0671621300.
  12. ^ Э. Резерфорд и Т. Ройдс (1908) «Спектр излучения радия», Philosophical Magazine , Series 6, vol. 16, страницы 313–317.
  13. ^ Журнал "Ядерная энергия" (III / 18 (203) специальный выпуск, том 10, выпуск 2/1967.
  14. ^ Агакишиев, H .; и другие. ( Коллаборация STAR ) (2011). «Наблюдение за ядром антивещества гелия-4». Природа . 473 (7347): 353–6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode : 2011Natur.473..353S . DOI : 10,1038 / природа10079 . PMID 21516103 . . См. Также «Опечатка». Природа . 475 (7356) : 412.2011 . ArXiv : 1103.3312 . DOI : 10,1038 / природа10264 .
  15. ^ «Антигелий-4: физики установили новый рекорд для самого тяжелого антивещества» . PhysOrg . 24 апреля 2011 . Проверено 15 ноября 2011 года .
  16. ^ May, TC; Вудс, MH (1979). «Мягкие ошибки, вызванные альфа-частицами в динамической памяти». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 26 (1): 2–9. Bibcode : 1979ITED ... 26 .... 2M . DOI : 10,1109 / Т-ED.1979.19370 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Типлер, Пол; Ллевеллин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). WH Freeman . ISBN 978-0-7167-4345-3.

Внешние ссылки [ править ]