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 числом . число , уменьшенное на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4 , которое состоит из двух протонов и двух нейтронов . Он имеет заряд+2 е и масса4 Да . Например, уран-238 распадается с образованием тория-234 .
Хотя 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 возникают в нейтральных атомах.
Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых нуклидах . Теоретически это может произойти только в ядрах, несколько тяжелее никеля (элемент 28), где общая энергия связи, приходящаяся на нуклон , уже не максимальна и поэтому нуклиды нестабильны по отношению к процессам типа спонтанного деления. На практике этот режим распада наблюдался только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель, 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 на сегодняшний день является наиболее распространенной формой распада кластера , при которой родительский атом выбрасывает определенный дочерний набор нуклонов, оставляя после себя еще один определенный продукт. Это наиболее распространенная форма из-за чрезвычайно высокой энергии связи ядра и относительно небольшой массы альфа-частицы. Как и другие распады кластеров, альфа-распад по своей сути является процессом квантового туннелирования . В отличие от бета-распада , он управляется взаимодействием как сильного ядерного , так и электромагнитного взаимодействия .
Альфа-частицы имеют типичную кинетическую энергию 5 МэВ (или ≈ 0,13% от их общей энергии, 110 ТДж/кг) и скорость около 15 000 000 м/с, или 5% скорости света . Изменение этой энергии на удивление мало из-за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от выделяемой энергии. Из-за их относительно большой массы электрический заряд+2 е и относительно небольшой 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 месторождений 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 в 1907 году их идентифицировали как ионы He 2+ . К 1928 году Георгий Гамов разрешил теорию альфа-распада посредством туннелирования. Альфа-частица удерживается внутри ядра притягивающей ядерной потенциальной ямой и отталкивающим электромагнитным потенциальным барьером . Классически ему запрещено убегать, но согласно (тогда) недавно открытым принципам квантовой механики , у него есть крошечная (но ненулевая) вероятность « туннелировать » через барьер и появиться на другой стороне, чтобы покинуть ядро. . Гамов решил модельный потенциал ядра и на основе первых принципов вывел зависимость между периодом полураспада и энергией излучения, которая была ранее обнаружена эмпирически и была известна как закон Гейгера-Наттолла . [2]
Ядерная сила , удерживающая атомное ядро вместе, очень сильна, обычно намного сильнее, чем электромагнитные силы отталкивания между протонами. Однако ядерная сила также имеет короткое действие, ее сила быстро падает за пределы примерно 3 фемтометров , в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный радиус действия. Таким образом, сила притяжения ядра, удерживающего ядро вместе, пропорциональна числу нуклонов, но общая разрушительная электромагнитная сила протон-протонного отталкивания, 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 может 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 испускаться преимущественно, а не другие частицы, такие как одиночный протон , нейтрон или другие атомные ядра . [примечание 1] Одной из причин является высокая энергия связи альфа-частицы, а это означает, что ее масса меньше суммы масс двух свободных протонов и двух свободных нейтронов. Это увеличивает энергию распада. Вычисление полной энергии распада, определяемой уравнением
Однако эти энергии распада существенно меньше, чем потенциальный барьер отталкивания , создаваемый взаимодействием сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия, который предотвращает побег альфа-частицы. Энергия, необходимая для того, чтобы доставить альфа-частицу из бесконечности в точку рядом с ядром, находящуюся за пределами действия ядерных сил, обычно находится в диапазоне 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 на 4–9 МэВ выше потенциала на бесконечности, что намного меньше энергии, необходимой для преодоления барьера и выхода.
Однако квантовая механика позволяет альфа-частице ускользать посредством квантового туннелирования. Квантовая туннельная теория альфа-распада, независимо разработанная Джорджем Гамовым [4] и Рональдом Уилфредом Герни и Эдвардом Кондоном в 1928 году [5] , была воспринята как очень яркое подтверждение квантовой теории. По сути, альфа-частица покидает ядро, не приобретая достаточно энергии, чтобы пройти через ограничивающую ее стенку, а туннелируя сквозь нее. Герни и Кондон в своей статье по этому поводу сделали следующее наблюдение:
До сих пор приходилось постулировать некую особую произвольную «нестабильность» ядра, но в следующей заметке указывается, что распад есть естественное следствие законов квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы... Написано много о взрывной силе, с которой α-частица выбрасывается со 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 рассматривать как независимую частицу 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 он пробьется наружу по туннелю. Альфа-частица со скоростью 1,5×10 7 м/с при диаметре ядра примерно 10 −14 м будет сталкиваться с барьером более 10 21 раз в секунду. Однако если вероятность убегания при каждом столкновении очень мала, период полураспада радиоизотопа будет очень длительным, поскольку именно это время требуется для того, чтобы общая вероятность убегания достигла 50%. Крайний пример: период полураспада изотопа висмута-209 равен2,01 × 10 19 лет .
Теоретически предполагается , что 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, подвергаются альфа-распаду. разлагаться. 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 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 подобных нуклидов с A ≤ 209, которые очень велики. (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, что является теоретическим выводом эмпирического закона Гейгера-Наттолла .
Америций-241 , альфа-излучатель , используется в детекторах дыма . Альфа-частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере , и через ионизированный воздух течет небольшой ток . Частицы дыма от пожара, попадающие в камеру, уменьшают ток, вызывая срабатывание сигнализации детектора дыма.
Радий-223 также является альфа-излучателем . Он используется при лечении скелетных метастазов (рак в костях).
Альфа-распад может стать безопасным источником энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов , используемых в космических зондах [7] и в искусственных кардиостимуляторах . [8] От альфа-распада гораздо легче защититься, чем от других форм радиоактивного распада.
Устранители статического электричества обычно используют полоний-210 , альфа-излучатель, для ионизации воздуха, позволяя «статическому прилипанию» рассеиваться быстрее.
Сильно заряженные и тяжелые альфа-частицы теряют 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 представляет опасности, поскольку альфа-частицы эффективно защищаются несколькими сантиметрами воздуха, листом бумаги или тонким слоем омертвевших клеток кожи, составляющих эпидермис ; однако многие альфа-источники также сопровождаются дочерними радиоизлучающими бета-излучением , 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 радиационном воздействии. Альфа-излучение имеет высокий коэффициент линейной передачи энергии (ЛПЭ), который составляет примерно одну ионизацию молекулы/атома на каждый ангстрем путешествия альфа-частицы. RBE был установлен на уровне 20 для альфа-излучения различными правительственными постановлениями. ОБЭ установлен на уровне 10 для нейтронного облучения и на уровне 1 для бета-излучения и ионизирующих фотонов.
Однако отдача родительского ядра (альфа-отдача) отдает ему значительное количество энергии, что также вызывает ионизационные повреждения (см. Ионизирующее излучение ). Эта энергия примерно равна весу альфа (4 Да ), разделенный на вес родительского элемента (обычно около 200 Да), умноженный на общую энергию альфа. По некоторым оценкам, это может быть причиной большей части внутренних радиационных повреждений, 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 преимущественно накапливается в хромосомах . В некоторых исследованиях [9] это привело к тому, что ОБЭ приблизился к 1000 вместо значения, используемого в правительственных постановлениях.
Наибольший естественный вклад в дозу облучения населения вносит радон , природный радиоактивный газ, обнаруженный в почве и горных породах. [10] При вдыхании газа некоторые частицы радона могут прикрепиться к внутренней оболочке легких. Эти частицы продолжают распадаться, выделяя 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, произошло ли это из-за альфа-излучения или рентгеновских лучей. Кюри много работал с радием, который распадается на радон, [12] наряду с другими радиоактивными материалами, испускающими 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.
Предполагается , что убийство российского перебежчика Александра Литвиненко в результате радиационного отравления в 2006 году было совершено с помощью альфа-излучателя полония-210 .
