Альфа-частица - Alpha particle

Альфа-частица
Alpha Decay.svg
Сочинение2 протона, 2 нейтрона
СтатистикаБозонный
Символα, α2+, Он2+
Масса6.644657230(82)×10−27 кг[1]

4.001506179127(63) ты

3.727379378(23) ГэВ /c2
Электрический заряд+2 е
Вращение0[2]

Альфа-частицы, также называемый альфа-лучи или же альфа-излучение, состоят из двух протоны и два нейтроны связаны вместе в частицу, идентичную гелий-4 ядро. Обычно они производятся в процессе альфа-распад, но также может производиться другими способами. Альфа-частицы названы в честь первой буквы в Греческий алфавит, α. Символ альфа-частицы - α или α2+. Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда записывают как Он2+
 или же 4
2Он2+
 указывает на ион гелия с зарядом +2 (без двух электронов). Однажды ион получает электроны из окружающей среды, альфа-частица становится нормальным (электрически нейтральным) атомом гелия 4
2Он.

Чистый спин альфа-частиц равен нулю. Благодаря механизму их производства в стандартной альфе радиоактивный распад, альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5МэВ, а скорость порядка 4% от скорость света. (См. Обсуждение пределов этих цифр в альфа-распаде ниже.) Они очень сильно ионизирующий форма излучение частиц, и (в результате радиоактивного альфа-распад ) обычно имеют низкий Глубина проникновения (остановился на несколько сантиметров воздуха, или кожа ).

Однако так называемые альфа дальнего действия частицы из тройное деление в три раза энергичнее и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, составляющие 10–12% космические лучи также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем те, которые производятся процессами 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 их энергии. В меньшей степени это справедливо также для ядер гелия очень высоких энергий, произведенных на ускорителях частиц.

Имя

Некоторые научные авторы используют дважды ионизированные ядра гелия (Он2+
) и альфа-частицы как взаимозаменяемые термины. В номенклатура не определен четко, и поэтому не все высокоскоростные ядра гелия все авторы считают альфа-частицами. Как и с бета и гамма частицы / лучи, название, используемое для частицы, несет в себе некоторые легкие коннотации о процессе ее производства и энергии, но они не применяются строго.[3] Таким образом, альфа-частицы можно свободно использовать как термин, когда речь идет о реакциях звездного гелия (например, альфа-процессы ), и даже когда они входят в состав космические лучи. Версия альфа-альфа с более высокой энергией, чем образуется при альфа-распаде, является обычным продуктом необычного ядерное деление результат называется тройное деление. Однако ядра гелия, полученные на ускорителях частиц (циклотроны, синхротроны и т.п.) с меньшей вероятностью будут называться «альфа-частицами».

Источники альфа-частиц

Альфа-распад

Физик наблюдает альфа-частицы при распаде источника полония в камера тумана
Альфа-излучение обнаружено в изопропаноле камера тумана (после введения искусственного источника радона-220).
Основная статья: Альфа-распад

Самый известный источник альфа-частиц - альфа-распад из более тяжелых (> 106 ты атомная масса) атомов. Когда атом испускает альфа-частицу при альфа-распаде, атомный массовое число уменьшается на четыре из-за потери четырех нуклоны в альфа-частице. В атомный номер атома уменьшается на два, в результате потери двух протонов атом становится новым элементом. Примеры такого рода ядерная трансмутация альфа-распадом распадаются уран к торий, и что из радий к радон.

Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивный ядра, такие как уран, торий, актиний, и радий, так же хорошо как трансурановый 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 испускать альфа, - бериллий-8 и самый легкий нуклиды из теллур (элемент 52) с массовыми числами от 104 до 109. Альфа-распад иногда оставляет ядро ​​в возбужденном состоянии; эмиссия гамма-луч затем удаляет лишнее энергия.

Механизм образования при альфа-распаде

В отличие от бета-распад, то фундаментальные взаимодействия за альфа-распад отвечает баланс между электромагнитная сила и ядерная сила. Альфа-распад является результатом Кулоновское отталкивание[2] между альфа-частицей и остальной частью ядра, которые оба имеют положительный электрический заряд, но это контролируется ядерная сила. В классическая физика, альфа-частицам не хватает энергии, чтобы покинуть потенциальная яма 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).

Тем не менее квантовое туннелирование эффект позволяет альфам уйти, даже если у них недостаточно энергии для преодоления ядерная сила. 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

Альфа-частицы с особой энергией, образующиеся в результате ядерных процессов, образуются в относительно редких (один из нескольких сотен) ядерное деление процесс тройное деление. В этом процессе из события создаются три заряженных 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 в делении, индуцированном нейтронами ( ядерная реакция что происходит в ядерном реакторе), а также когда расщепляющийся и делящийся актиниды нуклиды (т. е. тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанное деление 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

Энергичные ядра гелия (ионы гелия) могут быть получены циклотроны, синхротроны, и другие ускорители частиц. Принято считать, что их обычно не называют «альфа-частицами».

Реакции солнечного ядра

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

Космические лучи

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

Энергия и поглощение

Энергия альфа-частицы, испускаемой в альфа-распад слабо зависит от периода полураспада для процесса эмиссии, причем различия в периоде полураспада на много порядков связаны 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 (мегаэлектрон-вольт), что соответствует чрезвычайно длительному и чрезвычайно 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.[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 около 40микрометры, что эквивалентно нескольким клетки глубокий.

Биологические эффекты

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 Торотраст для высококачественных рентгеновских изображений до 1950-х годов) альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения. Он наиболее ионизирующий, и при достаточно больших дозах может вызывать любые или все симптомы радиационное отравление. Считается, что хромосома Ущерб 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 210По испускает столько альфа-частиц в секунду, сколько 4,215 грамма 226Ра ) подозревается в причастности к рак легких и Рак мочевого пузыря относится к курение табака.[7] 210По использовался для убийства российского диссидента и бывшегоФСБ офицер Литвиненко Александр Васильевич в 2006 году.[8]

Когда испускаются альфа-частицы изотопы попадают в организм, они гораздо более опасны, чем можно было бы предположить, исходя из их периода полураспада или скорости распада из-за высокого относительная биологическая эффективность 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.[9] чем эквивалентная деятельность бета-испускание или же гамма-излучение радиоизотопы.

История открытия и использования

Альфа-излучение состоит из гелий-4 ядро и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение, состоящее из электроны, останавливается 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 Поль Вильярд (работая в Париже) разделил излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал его альфа, бета и гамма на основе проникновения объектов и отклонения магнитным полем.[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 г. Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказал, что альфа-частицы действительно были ионами гелия.[12] 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 электрическая искра внутри трубки, которая обеспечивала поток электронов, которые захватывались 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 энергия достаточно высокий, чтобы участвовать в ядерная реакция, их изучение привело к очень раннему знанию ядерная физика. Резерфорд использовал альфа-частицы, испускаемые бромид радия сделать вывод, что Дж. Дж. Томсон с Сливовый пудинг модель атома был в корне ошибочным. В Эксперимент Резерфорда с золотой фольгой проводились его учениками Ганс Гейгер и Эрнест Марсден был установлен узкий пучок альфа-частиц, проходящий через очень тонкую (толщиной в несколько сотен атомов) золотую фольгу. Альфа-частицы были обнаружены сульфид цинка экран, который излучает вспышку света при столкновении альфа-частицы. Резерфорд предположил, что, предполагая "сливовый пудинг «модель атома 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 по папиросной бумаге 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 J.J. От модели «сливового пудинга» Томсона отказались, и эксперимент Резерфорда привел к Модель Бора а позже - современная волново-механическая модель атома.

Потеря 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 направленное ядерная трансмутация одного элемента к другому. Трансмутация элементов из одного в другой понималась с 1901 года как результат естественного радиоактивный распад, но когда Резерфорд спроецировал альфа-частицы от альфа-распада в воздух, он обнаружил, что это дает новый тип излучения, которое оказалось ядрами водорода (Резерфорд назвал их протоны ). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны происходят из азотного компонента воздуха, и было установлено, что реакция представляет собой превращение азота в кислород в реакции

14N + α → 17O + п  

Это было впервые обнаружено 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

В 2011 году члены международной STAR сотрудничество с использованием Релятивистский коллайдер тяжелых ионов на Министерство энергетики США с Брукхейвенская национальная лаборатория обнаружил антивещество партнер ядра гелия, также известный как анти-альфа.[14] В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся друг с другом, чтобы произвести античастицу.[15]

Приложения

  • Немного детекторы дыма содержат небольшое количество альфа-излучателя америций-241. Альфа-частицы ионизировать воздух в небольшом промежутке. Маленький Текущий проходит через этот ионизированный воздух. 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 радиоизотопные термоэлектрические генераторы используется для космические зонды и искусственные кардиостимуляторы. От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада. Плутоний-238, источнику альфа-частиц, требуется всего 2,5 мм вести экранирование для защиты от нежелательного излучения.
  • Статические сепараторы обычно используют полоний-210 альфа-излучатель для ионизации воздуха, позволяющий "статическое прилипание "для более быстрого рассеивания.
  • 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 препятствует радиационное повреждение окружающей здоровой ткани. Этот тип рак терапия называется лучевая терапия с открытым источником.

Альфа-излучение и ошибки DRAM

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

В компьютерных технологиях динамическая память с произвольным доступом (DRAM) "мягкие ошибки "были связаны с альфа-частицами в 1978 году в Intel микросхемы DRAM. Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в значительной степени считается решенной.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «CODATA Value: масса альфа-частицы». NIST. Получено 15 сентября 2011.
  2. ^ а б Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику. Джон Уайли и сыновья. С. 246–269. ISBN  978-0-471-80553-3.
  3. ^ Дорогой, Дэвид. «Альфа-частица». Энциклопедия науки. В архиве из оригинала 14 декабря 2010 г.. Получено 7 декабря 2010.
  4. ^ N.B. Поскольку гамма-лучи электромагнитный (свет ) они движутся со скоростью света (c). Бета-частицы часто перемещаются на значительную долю c, и превышают 60%c если их энергия> 64 кэВ, что обычно и бывает. Скорость нейтронов от ядерных реакций колеблется от 6%c на деление до 17%c для слияния.
  5. ^ Кристенсен, Д. М .; Iddins, C.J .; Шугарман, С. Л. (2014). «Ионизирующие лучевые поражения и болезни». Клиники неотложной медицинской помощи Северной Америки. 32 (1): 245–65. Дои:10.1016 / j.emc.2013.10.002. PMID  24275177.
  6. ^ Греллье, Джеймс; и другие. (2017). «Риск смерти от рака легких у ядерщиков в результате внутреннего облучения радионуклидами, излучающими альфа-частицы». Эпидемиология. 28 (5): 675–684. Дои:10.1097 / EDE.0000000000000684. ЧВК  5540354. PMID  28520643.
  7. ^ Рэдфорд, Эдвард П .; Хант, Вилма Р. (1964). «Полоний-210: летучий радиоэлемент в сигаретах». Наука. 143 (3603): 247–249. Bibcode:1964Научный ... 143..247R. Дои:10.1126 / science.143.3603.247. PMID  14078362.
  8. ^ Коуэлл, Алан (24 ноября 2006 г.). «Радиационным отравлением убит бывший российский шпион». Нью-Йорк Таймс. Получено 15 сентября 2011.
  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:1985РадР..103..293Л. Дои: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 создаваемая им электрическая проводимость», Философский журнал, Серия 5, т. 47, нет. 284, страницы 109–163. Резерфорд назвал γ-лучи на странице 177 книги: Э. Резерфорд (1903 г.) «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей от радия», Философский журнал, Серия 6, т. 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». Философский журнал, Серия 6, т. 16, страницы 313–317.
  13. ^ Журнал "Атомная энергия" (III / 18 (203) специальный выпуск, том 10, выпуск 2/1967.
  14. ^ Агакишиев, Х .; и другие. (STAR сотрудничество ) (2011). «Наблюдение за ядром антивещества гелия-4». Природа. 473 (7347): 353–6. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Натура.473..353S. Дои:10.1038 / природа10079. PMID  21516103.. Смотрите также «Опечатка». Природа. 475 (7356): 412. 2011. arXiv:1103.3312. Дои:10.1038 / природа10264.
  15. ^ «Антигелий-4: физики поставили новый рекорд по самому тяжелому антивеществу». PhysOrg. 24 апреля 2011 г.. Получено 15 ноября 2011.
  16. ^ May, T. C .; Вудс, М. Х. (1979). «Мягкие ошибки, вызванные альфа-частицами в динамической памяти». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 26 (1): 2–9. Bibcode:1979ITED ... 26 .... 2M. Дои:10.1109 / T-ED.1979.19370.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка