Альфа-распад или α-распад — это тип радиоактивного распада , при котором атомное ядро испускает альфа-частицу ( ядро гелия ) и тем самым трансформируется или «распадается» в другое атомное ядро с массовым числом , уменьшенным на четыре, и атомным числом , уменьшенным на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4 , которое состоит из двух протонов и двух нейтронов . Она имеет заряд+2 е и масса4 Да . Например, уран-238 распадается с образованием тория-234 .
В то время как альфа-частицы имеют заряд +2 e , это обычно не показывается, поскольку ядерное уравнение описывает ядерную реакцию без учета электронов — соглашение, которое не подразумевает, что ядра обязательно находятся в нейтральных атомах.
Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых нуклидах . Теоретически он может происходить только в ядрах, несколько тяжелее никеля (элемент 28), где общая энергия связи на нуклон больше не является максимальной, и поэтому нуклиды нестабильны по отношению к процессам типа спонтанного деления. На практике этот режим распада наблюдался только в нуклидах, значительно тяжелее никеля, причем самым легким известным альфа-излучателем является второй по легкости изотоп сурьмы , 104 Sb . [1] Однако в исключительных случаях бериллий -8 распадается на две альфа-частицы.
Альфа-распад — это, безусловно, самая распространенная форма распада кластера , когда родительский атом выбрасывает определенный дочерний набор нуклонов, оставляя другой определенный продукт. Это самая распространенная форма из-за комбинированной чрезвычайно высокой ядерной энергии связи и относительно малой массы альфа-частицы. Как и другие распады кластера, альфа-распад по сути является процессом квантового туннелирования . В отличие от бета-распада , он управляется взаимодействием как сильной ядерной силы , так и электромагнитной силы .
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% от скорости света . Существует удивительно небольшое изменение вокруг этой энергии из-за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от произведенной энергии. Из-за их относительно большой массы электрический заряд+2 е 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 минералов , содержащих уран или торий . Гелий выводится 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 2+ . К 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада с помощью туннелирования. Альфа-частица удерживается внутри ядра притягивающей потенциальной ямой ядра и отталкивающим электромагнитным потенциальным барьером . Классически ей запрещено выходить, но согласно (тогда) недавно открытым принципам квантовой механики , у нее есть крошечная (но ненулевая) вероятность « туннелирования » через барьер и появления с другой стороны, чтобы вырваться из ядра. Гамов решил модельный потенциал для ядра и вывел из первых принципов соотношение между периодом полураспада распада и энергией испускания, которое было ранее обнаружено эмпирически и было известно как закон Гейгера-Наттолла . [2]
Ядерная сила, удерживающая атомное ядро вместе, очень сильна, в общем случае намного сильнее, чем отталкивающие электромагнитные силы между протонами. Однако ядерная сила также является короткодействующей, быстро падая по силе за пределами примерно 3 фемтометров , в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный радиус действия. Сила притягивающей ядерной силы, удерживающей ядро вместе, таким образом, пропорциональна числу нуклонов, но общая разрушительная электромагнитная сила отталкивания протонов, 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, может едва уравновесить электромагнитное отталкивание между содержащимися в нем протонами. Альфа-распад происходит в таких ядрах как средство повышения стабильности за счет уменьшения размера. [3]
Любопытно, почему альфа-частицы, ядра гелия, должны преимущественно испускаться, а не другие частицы, такие как один протон или нейтрон или другие атомные ядра . [примечание 1] Частично причина заключается в высокой энергии связи альфа-частицы, что означает, что ее масса меньше суммы масс двух свободных протонов и двух свободных нейтронов. Это увеличивает энергию распада. Вычисляя полную энергию распада, заданную уравнением, где m i — начальная масса ядра, m f — масса ядра после испускания частицы, а m p — масса испускаемой (альфа-)частицы, можно обнаружить, что в некоторых случаях она положительна, и поэтому испускание альфа-частицы возможно, тогда как другие режимы распада потребуют добавления энергии. Например, выполнение расчета для урана-232 показывает, что испускание альфа-частицы высвобождает 5,4 МэВ энергии, в то время как испускание одного протона потребует 6,1 МэВ. Большая часть энергии распада становится кинетической энергией альфа-частицы, хотя для выполнения закона сохранения импульса часть энергии идет на отдачу самого ядра (см. атомная отдача ). Однако, поскольку массовые числа большинства альфа-излучающих радиоизотопов превышают 210, что намного больше массового числа альфа-частицы (4), доля энергии, идущая на отдачу ядра, как правило, довольно мала, менее 2%. [3] Тем не менее, энергия отдачи (в масштабе кэВ) все еще намного больше прочности химических связей (в масштабе эВ), поэтому дочерний нуклид вырвется из химической среды, в которой находился родительский нуклид. Энергии и соотношения альфа-частиц можно использовать для идентификации радиоактивного родителя с помощью альфа-спектрометрии .
Однако эти энергии распада существенно меньше, чем потенциальный барьер отталкивания , созданный взаимодействием между сильным ядерным и электромагнитным взаимодействием, который не дает альфа-частице вырваться. Энергия, необходимая для того, чтобы переместить альфа-частицу из бесконечности в точку вблизи ядра, находящуюся за пределами действия ядерного взаимодействия, обычно составляет около 25 МэВ. Альфа-частицу внутри ядра можно рассматривать как находящуюся внутри потенциального барьера, стенки которого на 25 МэВ выше потенциала на бесконечности. Однако альфа-частицы распада имеют энергию всего лишь около 4–9 МэВ выше потенциала на бесконечности, что намного меньше энергии, необходимой для преодоления барьера и вырывания.
Однако квантовая механика позволяет альфа-частице выходить через квантовое туннелирование. Квантовая туннельная теория альфа-распада, независимо разработанная Джорджем Гамовым [4] и Рональдом Уилфредом Герни и Эдвардом Кондоном в 1928 году [5] , была воспринята как весьма яркое подтверждение квантовой теории. По сути, альфа-частица вырывается из ядра не путем приобретения достаточной энергии для прохождения через ограничивающую ее стенку, а путем туннелирования через стенку. Герни и Кондон сделали следующее наблюдение в своей статье по этому поводу:
До сих пор было необходимо постулировать некоторую особую произвольную «нестабильность» ядра, но в следующем примечании указывается, что распад является естественным следствием законов квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы... Много было написано о взрывной силе, с которой α-частица выбрасывается из своего места в ядре. Но из процесса, изображенного выше, можно было бы скорее сказать, что α-частица почти ускользает незамеченной. [5]
Теория предполагает, что альфа-частицу можно считать независимой частицей внутри ядра, которая находится в постоянном движении, но удерживается внутри ядра сильным взаимодействием. При каждом столкновении с отталкивающим потенциальным барьером электромагнитной силы существует небольшая ненулевая вероятность того, что она туннелирует свой путь наружу. Альфа-частица со скоростью 1,5×10 7 м/с в пределах диаметра ядра приблизительно 10 −14 м будет сталкиваться с барьером более 10 21 раз в секунду. Однако, если вероятность выхода при каждом столкновении очень мала, период полураспада радиоизотопа будет очень долгим, поскольку это время, необходимое для того, чтобы общая вероятность выхода достигла 50%. В качестве крайнего примера, период полураспада изотопа висмут-209 равен2,01 × 10 19 лет .
Изотопы в стабильных изобарах бета-распада , которые также стабильны относительно двойного бета-распада с массовым числом A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 и A ≥ 165, теоретически подвергаются альфа-распаду. Все другие 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 кого 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 146 Sm.) [6]
Разработка деталей теории приводит к уравнению, связывающему период полураспада радиоизотопа с энергией распада его альфа-частиц, теоретическому выводу эмпирического закона Гейгера-Наттолла .
Америций-241 , альфа-излучатель , используется в дымовых извещателях . 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 срабатывание сигнализации дымового извещателя.
Радий-223 также является альфа-излучателем . Он используется при лечении метастазов в скелете (рак костей).
Альфа-распад может стать безопасным источником энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых в космических зондах [7] и применявшихся для искусственных кардиостимуляторов . [8] От альфа-распада гораздо легче защититься, чем от других форм радиоактивного распада.
В нейтрализаторах статического электричества обычно используется полоний-210 , альфа-излучатель, который ионизирует воздух, позволяя «статическому заряду» рассеиваться быстрее.
Сильно заряженные и тяжелые альфа-частицы теряют несколько МэВ энергии в небольшом объеме материала, а также очень короткую длину свободного пробега . Это увеличивает вероятность разрывов двухцепочечной ДНК в случаях внутреннего загрязнения при проглатывании, вдыхании, инъекции или введении через кожу. В противном случае прикосновение к альфа-источнику обычно не вредно, поскольку 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 радиоактивными частицами, и оба часто сопровождаются излучением гамма-фотонов.
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) количественно определяет способность радиации вызывать определенные биологические эффекты, в частности, рак или гибель клеток , при эквивалентном воздействии радиации. Альфа-излучение имеет высокий линейный коэффициент передачи энергии (ЛПЭ), который составляет около одной ионизации молекулы/атома на каждый ангстрем перемещения альфа-частицы. ОБЭ установлена на уровне 20 для альфа-излучения различными государственными постановлениями. ОБЭ установлена на уровне 10 для нейтронного облучения и на уровне 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 Да ) деленное на вес родителя (обычно около 200 Да) умноженное на общую энергию альфа. По некоторым оценкам, это может объяснять большую часть внутреннего радиационного повреждения, поскольку ядро отдачи является частью атома, который намного больше альфа-частицы, и вызывает очень плотный след ионизации; атом, как правило, является тяжелым металлом , который преимущественно собирается на хромосомах . В некоторых исследованиях [9] это привело к тому, что ОБЭ приближается к 1000 вместо значения, используемого в правительственных постановлениях.
Наибольший естественный источник дозы облучения населения — радон , естественный радиоактивный газ, содержащийся в почве и горных породах. [10] Если газ вдыхается, некоторые частицы радона могут прикрепиться к внутренней оболочке легких. Эти частицы продолжают распадаться, испуская альфа-частицы, которые могут повредить клетки легочной ткани. [11] Смерть Марии Кюри в возрасте 66 лет от апластической анемии , вероятно, была вызвана длительным воздействием высоких доз ионизирующего излучения, но неясно, было ли это вызвано альфа-излучением или рентгеновскими лучами. Кюри много работала с радием, который распадается на радон, [12] наряду с другими радиоактивными материалами, которые испускают бета- и гамма-лучи . Однако Кюри также работала с незащищенными рентгеновскими трубками во время Первой мировой войны, и анализ ее скелета во время перезахоронения показал относительно низкий уровень радиоизотопной нагрузки.
Предполагается, что убийство российского перебежчика Александра Литвиненко в 2006 году путем отравления радиацией было совершено с использованием полония-210 , альфа-излучателя.
