Войти
Визуальное представление альфа-распада Альфа-распад или α-распад - это тип радиоактивного распада, при котором атомное ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия) и тем самым преобразуется или распадается 'в другое атомное ядро с массовым числом, уменьшенным на четыре, и атомным номером, уменьшенным на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Он имеет заряд +2 e и массу 4 u. 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 отображается. 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, а нуклиды поэтому неустойчивы по отношению к процессам типа спонтанного деления. На практике этот способ распада наблюдался только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель, причем самыми легкими из известных альфа-излучателей являются легчайшие изотопы (массовые числа 104–109) теллура ( элемент 52). Однако в исключительных случаях бериллий-8 распадается на две альфа-частицы. Альфа-распад на сегодняшний день является наиболее распространенной формой кластерного распада, когда родительский атом выбрасывает определенную дочернюю совокупность нуклонов, оставляя после себя другой определенный продукт. Это наиболее распространенная форма из-за сочетания чрезвычайно высокой энергии связи ядра 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 регулируется взаимодействием между ядерной силой и электромагнитной силой. Альфа-частицы имеют типичную кинетическую энергию 5 МэВ (или ≈ 0,13% от их полной энергии, 110 ТДж / кг) и скорость около 15 000 000 м / с, или 5% от скорость света. Существует удивительно небольшое изменение этой энергии из-за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от произведенной энергии. Из-за их относительно большой массы, электрического заряда +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 отложений минералов, содержащих уран или торий. Гелий выносится на поверхность как побочный продукт добычи природного газа.
Альфа-частицы были впервые описаны в исследованиях радиоактивности Эрнестом Резерфордом в 1899 году, а к 1907 году они были идентифицированы как ионы He. К 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада через туннелирование. Альфа-частица захватывается ядром в потенциальной яме. Классически это запрещено убегать, но согласно (тогда) недавно открытым принципам квантовой механики, у этого есть крошечная (но отличная от нуля) вероятность «туннелирования » через барьер и появляющийся с другой стороны, чтобы покинуть ядро. Гамов решил модельный потенциал ядра и вывел из первых принципов связь между периодом полураспада распада и энергией излучения, которая была ранее обнаружена эмпирически и известна как закон Гейгера – Наттолла.
ядерная сила, удерживающая атомное ядро вместе, очень сильна, в целом намного сильнее, чем отталкивающие электромагнитные силы между протонами. Однако ядерное взаимодействие также является короткодействующим, его сила быстро падает за пределы 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 сильная ядерная сила, удерживающая его вместе, едва ли может уравновесить электромагнитное отталкивание между содержащимися в нем протонами. В таких ядрах происходит альфа-распад как средство повышения стабильности за счет уменьшения размера.
Любопытно, почему альфа-частицы, ядра гелия, должны преимущественно испускаться, а не другие частицы, такие как один протон или нейтрон или другие атомные ядра. Частично причина - 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 
Эти энергии распада, однако, существенно меньше, чем потенциальный барьер, создаваемый ядерной силой, которая предотвращает улетание альфа-частицы. Энергия, необходимая для переноса альфа-частицы из бесконечности в точку, близкую к ядру, за пределами диапазона действия ядерных сил, как правило, находится в диапазоне примерно 25 МэВ. Альфа-частица может рассматриваться как находящаяся 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 убегать через квантовое туннелирование. Теория квантового туннелирования альфа-распада, независимо разработанная Джорджем Гамовым и Рональдом Уилфредом Герни и Эдвардом Кондоном в 1928 году, была провозглашена очень ярким подтверждением 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 стенку. 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 следующем примечании указывается, что распад является естественным следствием законы квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы... Много было написано о взрывной силе, 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.
Теория предполагает, что альфа-частица может считаться независимой частицей в ядре, которое находится в постоянном движении, но удерживается внутри ядра. ядерными силами. При каждом столкновении с потенциальным барьером ядерной силы существует небольшая ненулевая вероятность того, что она туннелирует свой выход. Альфа-частица со скоростью 1,5 × 10 м / с при диаметре ядра приблизительно 10 м будет сталкиваться с барьером более 10 раз в секунду. Однако, если вероятность ускользания при каждом столкновении очень мала, период полураспада радиоизотопа будет очень большим, так как это время, необходимое для того, чтобы общая вероятность ускользания достигла 50%. В качестве крайнего примера, период полураспада изотопа висмут-209 составляет 2,01 x 10 лет.
Изотопы в стабильных изобарах бета-распада, которые также стабильны в отношении двойного бета-распада с массовым числом A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 и A ≥ 165 предположительно подвергаются альфа-распаду. Все остальные массовые числа (изобары ) имеют ровно один теоретически стабильный 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 периоды полураспада (гелий-5, литий-5 и бериллий-8 ) очень короткие, в отличие от периодов полураспада всех других таких нуклидов с A ≤ 209, которые очень длинные. (Такие нуклиды с A ≤ 209 являются первичными нуклидами за исключением Sm.)
Детальное рассмотрение теории приводит к уравнению, связывающему период полураспада радиоизотопа с энергией распада его альфа-частицы, теоретический вывод эмпирического закона Гейгера – Наттолла.
Америций-241, альфа-излучатель, используется в детекторах дыма. Альфа-частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере, и небольшой ток протекает через ионизированный воздух. Частицы дыма от огня, попадающие в камеру, уменьшают силу тока, вызывая тревогу дымового извещателя.
Альфа-распад может обеспечить безопасный источник питания для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для космических зондов и искусственных кардиостимуляторов. От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада.
В нейтрализаторах обычно используется полоний-210, альфа-излучатель, для ионизации воздуха, позволяя «статическому электричеству» рассеиваться быстрее.
Сильно заряженные и тяжелые альфа-частицы теряют свою энергию в несколько МэВ в небольшом объеме материала вместе с очень короткой средней длиной 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, так как альфа-частицы эффективно экранируются несколькими сантиметрами воздуха, листом бумаги или тонким слоем мертвых клеток кожи, которые составляют эпидермис ; однако многие альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими дочерними радиоизлучениями, и оба часто сопровождаются излучением гамма-фотонов.
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) количественно определяет способность излучения вызывать определенные биологические эффекты, в частности, рак или гибель клеток, для эквивалентного радиационного воздействия. Альфа-излучение имеет высокий коэффициент линейной передачи энергии (ЛПЭ), который составляет примерно одну ионизацию молекулы / атома на каждые ангстрем пути альфа-частицы. RBE было установлено 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 u ), деленному на вес родительского элемента (обычно около 200 u), умноженному на общую энергию альфа. По некоторым оценкам, это может 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 собирается на хромосомах. В некоторых исследованиях 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, обнаруженный в почве и горных породах. 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. 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 X -лучей. Кюри много работал с радием, который распадается на радон, а также с другими радиоактивными материалами, излучающими бета и гамма-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 помощью полония-210, альфа эмиттер.
LIVEChart of Nuclides - IAEA с фильтром по альфа decay