Альфа-частица

редактировать

Альфа-частица
Alpha Decay.svg Альфа-распад
Состав 2 протона, 2 нейтрона
Статистика Бозонный
Символα, α, He
Масса 6,644657230 (82) × 10 kg.

4,001506179127 (63) u.

3,727379378 (23) ГэВ / c
Электрический заряд +2 e
Спин 0

Альфа-частицы, также называемые альфа-лучами или альфа-излучением, состоят из двух протонов и два нейтрона, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия-4 . Обычно они образуются в процессе альфа-распада, но также могут быть получены другими способами. Альфа-частицы названы по первой букве греческого алфавита, α. Символ альфа-частицы - α или α. Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда пишут как He. или. 2He., указывая на ион гелия с зарядом +2 (без двух его электронов). Если ион получает электроны из окружающей среды, альфа-частица становится нормальным (электрически нейтральным) атомом гелия. 2He.

Альфа-частицы, как и ядра гелия, имеют нулевой чистый спин. Из-за механизма их образования при стандартном альфа радиоактивном распаде, альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5 МэВ и скорость около 4% от скорость света. (См. Ниже обсуждение пределов этих цифр в альфа-распаде.) Они представляют собой сильно ионизирующую форму излучения частиц, и (в результате радиоактивного альфа-распада ) обычно имеют низкую глубину проникновения (ограниченную несколькими сантиметрами воздуха или кожей ).

Однако так называемые альфа-частицы дальнего действия из 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, обладают высокой проникающей способностью и способны проходить через человеческое тело, а также многие метры плотной твердой защиты в зависимости от их энергии. В меньшей степени это верно и для ядер гелия очень высоких энергий, произведенных на ускорителях частиц.

.

Содержание

  • 1 Название
  • 2 Источники альфа-частиц
    • 2.1 Альфа-распад
      • 2.1.1 Механизм образования при альфа-распаде
    • 2.2 Тройное деление
    • 2.3 Ускорители
    • 2.4 Реакции солнечного ядра
    • 2.5 Космические лучи
  • 3 Энергия и поглощение
  • 4 Биологические эффекты
  • 5 История открытия и использования
  • 6 Анти-альфа-частицы
  • 7 Применения
  • 8 Альфа-излучение и ошибки DRAM
  • 9 См. также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература
  • 12 Внешние ссылки

Имя

Некоторые научные авторы используют дважды ионизированные ядра гелия (He.) и альфа-частицы как взаимозаменяемые термины. Номенклатура плохо определена, и, таким образом, не все высокоскоростные ядра гелия считаются всеми авторами альфа-частицами. Как и в случае с частицами / лучами бета и гамма, название, используемое для частицы, несет некоторые мягкие коннотации о процессе ее производства и энергии, но они не применяются строго. Таким образом, альфа-частицы можно свободно использовать как термин, когда речь идет о реакциях звездного гелия (например, альфа-процессы ), и даже когда они встречаются как компоненты космических лучей. Версия альфа-альфа с более высокой энергией, чем при альфа-распаде, является обычным продуктом необычного ядерного деления результата, называемого тройным делением. Однако ядра гелия, произведенные ускорителями частиц (циклотроны, синхротроны и т.п.), с меньшей вероятностью будут называться «альфа-частицами».

Источники альфа-частиц

Альфа-распад

Физик наблюдает альфа-частицы от распада источника полония в камере Вильсона Альфа-излучение, обнаруженное в изопропаноле камера Вильсона (после инъекции искусственного источника радона-220).

Самый известный источник альфа-частиц - альфа-распад более тяжелых (>106 u атомный вес) 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 уменьшается ровно на два, в результате потери двух протонов атом становится новым элементом. Примеры такого рода ядерной трансмутации : когда уран становится торием, или радий становится радоном газом, из-за к альфа-распаду.

Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивными ядрами, такими как уран, торий, актиний, и радий, а также трансурановые элементы. В отличие от других типов распада, альфа-распад как процесс должен иметь атомное ядро ​​минимального размера, которое может его поддерживать. Наименьшие ядра, которые, как было установлено на сегодняшний день, способны к альфа-излучению, - это бериллий-8 и самые легкие нуклиды теллура (элемент 52) с массой числа от 104 до 109. Процесс альфа-распада иногда оставляет ядро ​​в возбужденном состоянии, при этом испускание гамма-излучения затем удаляет избыток энергии.

Механизм образования в альфа-распаде

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 между альфа-частицей и остальной частью ядра, которые оба имеют положительный электрический заряд, но сдерживаются ядерной сила. В классической физике альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы покинуть потенциальную яму от сильного взаимодействия внутри ядра (эта яма включает в себя уход от сильного взаимодействия, чтобы подняться на одну сторону ну, за которым следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивание 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, и в квантовой механике они убегают через определенное время.

Тройное деление

Альфа-частицы с особой энергией, полученные в результате ядерного процесса, образуются в относительно редком (один из нескольких сотен) ядерном делении процессе тройного деление. 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 называют «альфа-частицами дальнего действия», поскольку при их типичной энергии 16 МэВ они имеют гораздо более высокую энергию, чем когда-либо производились в результате альфа-распада. Тройное деление происходит как при нейтронно-индуцированном делении (ядерная реакция, которая происходит в ядерном реакторе), так и при делящихся и делящихся актинидах нуклиды (т. Е. Тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанному делению как форма радиоактивного распада. Как в индуцированном, так и в спонтанном делении более высокие энергии, доступные в тяжелых ядрах, приводят к дальнодействующим альфа с более высокой энергией, чем у альфа-распада.

Ускорители

Энергичные ядра гелия могут быть получены с помощью циклотронов, синхротронов и других ускорителей частиц, но они обычно не называются «альфа-частицами».

Реакции в ядре Солнца

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

Космические лучи

Кроме того, ядра гелия с чрезвычайно высокой энергией, иногда называемые альфа-частицами, составляют от 10 до 12% космических лучей. Механизмы образования космических лучей продолжают обсуждаться.

Энергия и поглощение

Энергия альфа-частицы, испускаемой при альфа-распаде, слабо зависит от периода полураспада для процесса эмиссии с разницей на многие порядки величин. в период полураспада, связанный с изменениями энергии менее 50%.

Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется, при этом альфа-частицы с более высокой энергией испускаются из более крупных ядер, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7 МэВ (мегаэлектронвольт), соответствующие чрезвычайно долгому и очень короткому периоду полураспада альфа-излучающих нуклидов 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.

Благодаря своему заряду и большой массе альфа-частицы легко поглощаются материалами, и они могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров. Они могут абсорбироваться папиросной бумагой или внешними слоями кожи человека. Обычно они проникают через кожу на глубину примерно 40 микрометров, что эквивалентно нескольким клеткам.

Биологические эффекты

Из-за небольшого диапазона поглощения и невозможности проникновения через внешние слои кожи, альфа-частицы, как правило, не опасны для жизни, если их источник не проглатывается или не вдыхается. Из-за этой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании Thorotrast для получения высококачественных рентгеновских изображений до 1950-е гг.), альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения. Он наиболее ионизирующий и при достаточно больших дозах может вызывать любые или все симптомы радиационного отравления. Подсчитано, что повреждение хромосомы альфа-частицами в 10–1000 раз больше, чем повреждение, вызванное 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. Предполагается, что мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм Po испускает столько же альфа-частиц в секунду, как 4,215 грамма Ra ) играет роль в раке легких и рак мочевого пузыря, связанный с курением табака.По использовалось для убийства российского диссидента и бывшего сотрудника ФСБ Александра В. Литвиненко в 2006 году.

При проглатывании изотопов, излучающих альфа-частицы, они намного опаснее, чем можно было бы предположить по их периоду полураспада или скорости распада, из-за высокой относительной биологической эффективности альфа-излучения, чтобы вызвать биологический ущерб. Альфа-излучение в среднем примерно в 20 раз опаснее, а в экспериментах с вдыхаемыми альфа-излучателями до 1000 раз опаснее, чем эквивалентная активность бета-излучения или гамма-излучения радиоизотопов.

История открытия и использования

Альфа-излучение состоит из ядра гелия-4 и легко блокируется 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 (работает в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Пол Виллар (работает в Париже) разделили излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал его альфа, бета и гамма о проникновении предметов и отклонении магнитным полем. 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 были двухзарядными ионами гелия (позже выяснилось, что это голые ядра гелия). В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказали, что альфа-частицы действительно являются ионами гелия. Для этого они позволили альфа-частицам проникнуть через очень тонкую стеклянную стенку откачанной трубки, таким образом захватив большое количество предполагаемых ионов гелия внутри трубки. Затем они вызвали электрическую искру внутри трубки, которая обеспечила поток электронов, которые были захвачены ионами с образованием нейтральных атомов газа. Последующее изучение спектров образовавшегося газа показало, что это был гелий и что альфа-частицы действительно были предполагаемыми ионами гелия.

Поскольку альфа-частицы встречаются в природе, но могут иметь энергию, достаточно высокую, чтобы участвовать в ядерной реакции, их изучение привело к очень ранним знаниям ядерной физика. Резерфорд использовал альфа-частицы, испускаемые бромидом радия, чтобы сделать вывод, что J. Модель атома Сливового пудинга Дж. Томсона была в корне ошибочна. В эксперименте Резерфорда с золотой фольгой, проведенном его учениками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, был установлен узкий пучок альфа-частиц, проходящий через очень тонкий (несколько сотен толщиной атомов) золотой фольгой. Альфа-частицы детектировались экраном из сульфида цинка, который излучает вспышку света при столкновении альфа-частиц. Резерфорд предположил, что, если предположить, что модель атома «сливовый пудинг » верна, положительно заряженные альфа-частицы будут лишь слегка отклоняться, если вообще будут отклоняться предсказанным рассеянным 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, опять же при условии, что теория «сливового пудинга» верна.. Было установлено, что положительный заряд атома был сконцентрирован 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 J.J. От модели "сливового пудинга" Томсона отказались, а эксперимент Резерфорда привел к модели Бора, а затем к современной волново-механической модели атома.

Потери энергии (кривая Брэгга ) в воздухе для типичных альфа-частиц, испускаемых в результате радиоактивного распада. След одиночной альфа-частицы, полученный физиком-ядерщиком Вольфхартом Виллимчиком с его искровой камерой, специально созданной для альфа-частицы.

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 дает новый тип излучения, которое, как оказалось, быть ядрами водорода (Резерфорд назвал эти протонами ). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны происходят из азотного компонента воздуха, и было установлено, что реакция представляет собой превращение азота в кислород в реакции

N + α → O + p

Это было первое обнаруженное ядерная реакция.

К ​​соседним изображениям: Согласно кривой потерь энергии Брэгга, можно распознать, что альфа-частица действительно теряет больше энергии на конце следа.

Анти-альфа-частица

В 2011 году участники международного сотрудничества STAR использовали релятивистский коллайдер тяжелых ионов в США. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики обнаружила антивещество, являющееся партнером ядра гелия, также известное как анти-альфа. В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся лицом к лицу, чтобы произвести античастицу.

Приложения

Альфа-излучение и ошибки DRAM

В компьютерных технологиях динамическая память с произвольным доступом (DRAM) «программные ошибки » были связаны с альфа-частицами в 1978 году в микросхемах DRAM Intel. Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в основном считается решенной.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Tipler, Павел; Ллевеллин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). В. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-4345-3.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с Альфа-частица.
Последняя правка сделана 2021-06-11 02:05:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте