| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
Альфа - распад или α-распад является одним из видов радиоактивного распада , в котором атомное ядро испускает альфа - частицу (ядро гелий) и тем самых преобразования или «затухает» в другое атомное ядро с массовым числом , которое восстанавливается четыре и атомным число , уменьшенное на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4 , которое состоит из двух протонов и двух нейтронов . Он несет ответственность за+2 e и масса4 шт . Например, уран-238 распадается с образованием тория-234 . Альфа-частицы имеют заряд +2 e , но поскольку ядерное уравнение описывает ядерную реакцию без учета электронов - соглашение, которое не подразумевает, что ядра обязательно находятся в нейтральных атомах - заряд обычно не указывается. Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых нуклидах. Теоретически это может происходить только в ядрах, несколько более тяжелых, чем никель (элемент 28), где общая энергия связи на нуклон больше не является минимальной, и поэтому нуклиды нестабильны по отношению к процессам типа спонтанного деления. На практике этот тип распада наблюдался только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель, причем самыми легкими из известных альфа-излучателей являются легчайшие изотопы (массовые числа 104–109)теллур (элемент 52). Однако в исключительных случаях бериллий-8 распадается на две альфа-частицы. Альфа-распад на сегодняшний день является наиболее распространенной формой распада кластера , когда родительский атом выбрасывает определенную дочернюю совокупность нуклонов, оставляя после себя другой определенный продукт. Это наиболее распространенная форма из-за сочетания чрезвычайно высокой ядерной энергии связи и относительно небольшой массы альфа-частицы. Как и другие распады кластеров, альфа-распад - это, по сути, процесс квантового туннелирования . В отличие от бета-распада , он определяется взаимодействием ядерных и электромагнитных сил.. Альфа-частицы имеют типичную кинетическую энергию 5 МэВ (или ≈ 0,13% от их полной энергии, 110 ТДж / кг) и имеют скорость около 15 000 000 м / с, или 5% скорости света . Существует удивительно небольшое изменение этой энергии из- за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от произведенной энергии. Из-за их относительно большой массы электрический заряд+2 e и относительно низкой скорости, альфа-частицы с большой вероятностью будут взаимодействовать с другими атомами и терять свою энергию, а их поступательное движение может быть остановлено несколькими сантиметрами воздуха . Примерно 99% гелия, производимого на Земле, является результатом альфа-распада подземных залежей полезных ископаемых, содержащих уран или торий . Гелий выводится на поверхность как побочный продукт производства природного газа .
История [ править ]
Альфа-частицы были впервые описаны в исследованиях радиоактивности Эрнестом Резерфордом в 1899 году, а к 1907 году они были идентифицированы как ионы He 2+ . К 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада через туннелирование. Альфа-частица захвачена внутри ядра притягивающей ядерной потенциальной ямой и отталкивающим электромагнитным потенциальным барьером . Классически это запрещено убегать, но согласно (тогда) недавно открытым принципам квантовой механики , у него есть крошечная (но отличная от нуля) вероятность « туннелирования » через барьер.и появляясь с другой стороны, чтобы покинуть ядро. Гамов решил модельный потенциал ядра и вывел из первых принципов зависимость между периодом полураспада распада и энергией излучения, которая была ранее обнаружена эмпирически и известна как закон Гейгера-Наттолла . [1]
Механизм [ править ]
Ядерная сила держит атомное ядро вместе очень сильно, в общем случае гораздо сильнее , чем отталкивания электромагнитных сил между протонами. Тем не менее, ядерная сила также является короткодействующей, быстро падая в силе, превышающей примерно 1 фемтометр , в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный диапазон. Таким образом, сила притяжения ядерной силы, удерживающей ядро вместе, пропорциональна количеству нуклонов, но полная разрушающая электромагнитная сила, пытающаяся разорвать ядро на части, примерно пропорциональна квадрату его атомного номера. Ядро с 210 или более нуклонами настолько велико, что сильное ядерное взаимодействиеудерживая его вместе, едва ли можно уравновесить электромагнитное отталкивание между содержащимися в нем протонами. В таких ядрах происходит альфа-распад как средство повышения стабильности за счет уменьшения размера. [2]
Одним из любопытства почему альфа - частицы, ядра гелия, должны быть преимущественно испускаются в отличие от других частиц как одного протона или нейтрона или других атомных ядер . [примечание 1] Частично причиной является высокая энергия связи альфа-частицы, что означает, что ее масса меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Это увеличивает энергию распада. Вычисление полной энергии дезинтеграции, заданной уравнением
где m i - начальная масса ядра, m f - масса ядра после испускания частицы, а m p - масса испускаемой частицы, обнаруживается, что в некоторых случаях она положительна, и поэтому возможно испускание альфа-частицы. , тогда как другие режимы распада потребуют добавления энергии. Например, выполнение расчета для урана-232 показывает, что испускание альфа-частиц дает энергию 5,4 МэВ, в то время как для одного испускания протона потребуется 6,1 МэВ. Большая часть энергии распада становится кинетической энергией самой альфа-частицы, хотя для сохранения импульсачасть энергии идет на отдачу самого ядра (см. Атомная отдача ). Однако, поскольку массовые числа большинства альфа-излучающих радиоизотопов превышают 210, что намного больше, чем массовое число альфа-частицы (4), доля энергии, идущая на отдачу ядра, обычно довольно мала, менее 2%. [2]
Однако эти энергии разрушения существенно меньше, чем потенциальный барьер отталкивания, создаваемый электромагнитной силой, которая не позволяет альфа-частице улетать. Энергия, необходимая для того, чтобы перенести альфа-частицу из бесконечности в точку, близкую к ядру, за пределами действия ядерной силы, обычно находится в диапазоне примерно 25 МэВ. Альфа-частицу можно представить как находящуюся внутри потенциального барьера, стенки которого на 25 МэВ выше потенциала на бесконечности. Однако энергия распада альфа-частиц только на 4–9 МэВ превышает потенциал на бесконечности, что намного меньше энергии, необходимой для выхода.
Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частице уходить через квантовое туннелирование. Теория квантового туннелирования альфа - распада, независимо разработанный Джордж Гамов [3] и Рональд Уилфред Герни и Эдвард Кондон в 1928 год [4] была воспринята как очень ярким подтверждение квантовой теории. По сути, альфа-частица выходит из ядра не за счет приобретения энергии, достаточной для прохождения через ограничивающую ее стенку, а за счет туннелирования через нее. Гурни и Кондон сделали следующее наблюдение в своей статье по этому поводу:
До сих пор было необходимо постулировать некую особую произвольную «нестабильность» ядра, но в следующей заметке указывается, что распад является естественным следствием законов квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы ... Многое было написано взрывной силы, с которой α-частица выбрасывается со своего места в ядре. Но из процесса, изображенного выше, можно было бы сказать, что α-частица почти незаметно ускользает. [4]
Теория предполагает, что альфа-частица может рассматриваться как независимая частица внутри ядра, которая находится в постоянном движении, но удерживается внутри ядра электромагнитными силами. При каждом столкновении с отталкивающим потенциальным барьером электромагнитной силы существует небольшая ненулевая вероятность того, что она туннелирует свой выход. Альфа-частица со скоростью 1,5 × 10 7 м / с в пределах диаметра ядра примерно 10 -14 м будет сталкиваться с барьером более 10 21 раз в секунду. Однако, если вероятность ускользания при каждом столкновении очень мала, период полураспада радиоизотопа будет очень большим, поскольку это время, необходимое для того, чтобы общая вероятность ускользания достигла 50%. В качестве крайнего примера, период полураспада изотопависмут-209 является2.01 × 10 19 лет .
Теоретически предполагается, что изотопы в стабильных изобарах с бета-распадом , которые также стабильны в отношении двойного бета-распада с массовым числом A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 и A ≥ 165, претерпевают альфа-излучение. разлагаться. Все остальные массовые числа ( изобары ) имеют ровно один теоретически устойчивый нуклид ). Те, у кого масса 5, распадаются на гелий-4 и протон или нейтрон , а те, у которых масса 8, распадаются на два ядра гелия-4; их период полураспада ( гелий-5 , литий-5 и бериллий-8) очень короткие, в отличие от периодов полураспада для всех других подобных нуклидов с A ≤ 209, которые очень велики. (Такие нуклиды с A ≤ 209 являются первичными нуклидами, за исключением 146 Sm.) [5]
Разработка деталей теории приводит к уравнению, связывающему период полураспада радиоизотопа с энергией распада его альфа-частиц, теоретическому выводу эмпирического закона Гейгера-Наттолла .
Использует [ редактировать ]
Америций-241 , альфа-излучатель , используется в детекторах дыма . Альфа-частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере, и через ионизированный воздух протекает небольшой ток . Частицы дыма от огня, попадающие в камеру, уменьшают ток, вызывая тревогу дымового извещателя.
Радий-223 также является альфа-излучателем . Он используется при лечении метастазов в скелете (рака в костях).
Альфа-распад может обеспечить безопасный источник энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для космических зондов [6] и для искусственных кардиостимуляторов . [7] Альфа-распад гораздо легче защитить от других форм радиоактивного распада.
В нейтрализаторах статического электричества обычно используется полоний-210 , альфа-излучатель, для ионизации воздуха, что позволяет «статическому электричеству» рассеиваться быстрее.
Токсичность [ править ]
Сильно заряженные и тяжелые альфа-частицы теряют свою энергию в несколько МэВ в небольшом объеме материала, а также имеют очень короткую длину свободного пробега . Это увеличивает вероятность двухцепочечных разрывов ДНК в случаях внутреннего загрязнения при проглатывании, вдыхании, инъекции или введении через кожу. В противном случае прикосновение к источнику альфа-излучения обычно не вредно, поскольку альфа-частицы эффективно экранируются несколькими сантиметрами воздуха, листом бумаги или тонким слоем мертвых клеток кожи, составляющих эпидермис ; однако многие альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими дочерними радиоизлучениями, и оба часто сопровождаются испусканием гамма-фотонов.
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) количественно определяет способность радиации вызывать определенные биологические эффекты, в частности рак или гибель клеток , при эквивалентном радиационном воздействии. Альфа-излучение имеет высокий коэффициент линейной передачи энергии (ЛПЭ), который составляет примерно одну ионизацию молекулы / атома на каждый ангстрем, пройденный альфа-частицей. RBE был установлен на уровне 20 для альфа-излучения различными правительственными постановлениями. RBE устанавливается на 10 для нейтронного облучения и на 1 для бета-излучения и ионизирующих фотонов.
Однако отдача родительского ядра (альфа-отдача) дает ему значительное количество энергии, что также вызывает ионизационные повреждения (см. Ионизирующее излучение ). Эта энергия примерно равна весу альфа (4 мк ), деленному на вес родительского элемента (обычно около 200 мк), умноженному на общую энергию альфа. По некоторым оценкам, это могло бы объяснить большую часть внутреннего радиационного повреждения, поскольку ядро отдачи является частью атома, который намного больше, чем альфа-частица, и вызывает очень плотный след ионизации; атом обычно представляет собой тяжелый металл , который предпочтительно накапливается на хромосомах . В некоторых исследованиях [8]это привело к тому, что RBE приблизилась к 1000 вместо значения, используемого в правительственных постановлениях.
Наибольший естественный вклад в дозу облучения населения вносит радон , радиоактивный газ природного происхождения, содержащийся в почве и горных породах. [9] При вдыхании газа некоторые частицы радона могут прикрепиться к внутренней оболочке легких. Эти частицы продолжают распадаться, испуская альфа-частицы, которые могут повредить клетки легочной ткани. [10] Смерть Марии Кюри в возрасте 66 лет от апластической анемии, вероятно, была вызвана длительным воздействием высоких доз ионизирующего излучения, но неясно, было ли это связано с альфа-излучением или рентгеновскими лучами. Кюри активно работал с радием, который распадается на радон [11], наряду с другими радиоактивными материалами, которые испускают бета игамма-лучи . Однако Кюри также работала с неэкранированными рентгеновскими трубками во время Первой мировой войны, и анализ ее скелета во время перезахоронения показал относительно низкий уровень радиоизотопной нагрузки.
Считается, что убийство российского диссидента Александра Литвиненко в результате радиационного отравления в 2006 году было совершено с использованием полония-210 , альфа-излучателя.
Ссылки [ править ]
- ^ "Теория Гамова альфа-распада" . 6 ноября 1996 года Архивировано из оригинала 24 февраля 2009 года.
- ^ a b Артур Бейзер (2003). «Глава 12: Ядерные преобразования». Концепции современной физики (PDF) (6-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 432–434. ISBN 0-07-244848-2. Архивировано из оригинального (PDF) 04.10.2016 . Проверено 3 июля 2016 .
- ^ Г. Гамов (1928). "Zur Quantentheorie des Atomkernes (К квантовой теории атомного ядра)". Zeitschrift für Physik . 51 (3): 204–212. Bibcode : 1928ZPhy ... 51..204G . DOI : 10.1007 / BF01343196 .
- ^ а б Рональд В. Герни и Эдв. У. Кондон (1928). «Волновая механика и радиоактивный распад» . Природа . 122 : 439. Bibcode : 1928Natur.122..439G . DOI : 10.1038 / 122439a0 .
- ^ Belli, P .; Bernabei, R .; Даневич Ф.А.; и другие. (2019). «Экспериментальные поиски редких альфа- и бета-распадов». Европейский физический журнал . 55 (8): 140–1–140–7. arXiv : 1908.11458 . Bibcode : 2019EPJA ... 55..140B . DOI : 10.1140 / epja / i2019-12823-2 . ISSN 1434-601X .
- ^ "Радиоизотопный термоэлектрический генератор" . Исследование Солнечной системы . НАСА . Проверено 25 марта 2013 года .
- ^ "Ядерные кардиостимуляторы" . Проект восстановления внешнего источника . LANL . Проверено 25 марта 2013 года .
- ^ Winters TH, Franza JR (1982). «Радиоактивность сигаретного дыма». Медицинский журнал Новой Англии . 306 (6): 364–365. DOI : 10.1056 / NEJM198202113060613 . PMID 7054712 .
- ^ ANS: Общественная информация: Ресурсы: Диаграмма доз радиации
- ^ Информация о радиации EPA: Радон. 6 октября 2006 г., [1] , по состоянию на 6 декабря 2006 г.,
- ^ Общество физики здоровья, "Мария Кюри умерла от передозировки радиации?" [2] Архивировано 19 октября 2007 г. в Wayback Machine.
- Альфа-излучатели за счет увеличения энергии (Приложение 1)
Заметки [ править ]
- ^ Эти другие виды распада, хотя и возможны, чрезвычайно редки по сравнению с альфа-распадом.
Внешние ссылки [ править ]
- LIVEChart of Nuclides - МАГАТЭ с фильтром по альфа-распаду
- Альфа-распад с 3 анимированными примерами, показывающими отдачу дочери
