Альфа-частицы , также называемые альфа-лучами или альфа-излучением , состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия-4 . [5] Они обычно производятся в процессе альфа-распада, но могут также производиться другими способами. Альфа-частицы названы в честь первой буквы греческого алфавита , α . Символ для альфа-частицы - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда записывают как He 2+ или4
2He 2+ указывает на ион гелия с зарядом +2 (отсутствуют два электрона ). Как только ион получает электроны из своего окружения, альфа-частица становится обычным (электрически нейтральным) атомом гелия4
2Он .
Альфа-частицы имеют чистый спин, равный нулю. При образовании в стандартном альфа- радиоактивном распаде альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5 МэВ и скорость около 4% от скорости света . Они являются высокоионизирующей формой излучения частиц с малой глубиной проникновения (останавливаются несколькими сантиметрами воздуха или кожей ) .
Однако так называемые дальнобойные альфа- частицы из тройного деления в три раза энергичнее и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, которые образуют 10–12% космических лучей , 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 человеческое тело, а также многие метры плотного твердого экрана, в зависимости от их энергии. В меньшей степени это также верно для ядер гелия с очень высокой энергией, производимых ускорителями частиц.
Термин «альфа-частица» был придуман Эрнестом Резерфордом в отчете о его исследованиях свойств уранового излучения. [6] Излучение, по-видимому, имело два различных характера, первый он назвал « излучением», а более проникающий он назвал « излучением». После пяти лет дополнительных экспериментальных работ Резерфорд и Ганс Гейгер определили, что «альфа-частица, после того как она потеряла свой положительный заряд, является атомом гелия». [7] [8] [9] : 61 Альфа-излучение состоит из частиц, эквивалентных дважды ионизированным ядрам гелия (He 2+ ), которые могут получать электроны, проходя через вещество. Этот механизм является источником земного гелия. [10]
Самым известным источником альфа-частиц является альфа-распад более тяжелых (массовое число не менее 104) атомов. Когда атом испускает альфа-частицу при альфа-распаде, массовое число атома уменьшается на четыре из-за потери четырех нуклонов в альфа-частице. Атомный номер атома уменьшается на два в результате потери двух протонов – атом становится новым элементом. Примерами такого рода ядерной трансмутации посредством альфа-распада являются распад урана на торий и радия на радон .
Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивными ядрами, такими как уран , торий , актиний и радий , а также трансурановыми элементами. В отличие от других типов распада, альфа-распад как процесс должен иметь минимальное атомное ядро, которое может его поддерживать. Наименьшие ядра, которые на сегодняшний день способны к альфа-излучению, — это бериллий-8 и теллур-104 , не считая бета-задержанного альфа-излучения некоторых более легких элементов. Альфа-распад иногда оставляет материнское ядро в возбужденном состоянии; затем испускание гамма-излучения удаляет избыточную энергию .
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 [4] между альфа-частицей и остальной частью ядра, которые обе имеют положительный электрический заряд , но который сдерживается ядерной силой . В классической физике альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы вырваться из потенциальной ямы из-за сильной силы внутри ядра (эта яма подразумевает вырывание из сильной силы, чтобы подняться по одной стороне ямы, за чем следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивающее отталкивание по другой стороне).
Однако квантовый туннельный эффект позволяет альфам вырваться, даже если у них недостаточно энергии, чтобы преодолеть ядерную силу . Это допускается волновой природой материи, которая позволяет альфа-частице проводить часть своего времени в области, настолько удаленной от ядра, что потенциал отталкивающей электромагнитной силы полностью компенсирует притяжение ядерной силы. Из этой точки альфа-частицы могут вырваться.
Особенно энергичные альфа-частицы, получаемые в результате ядерного процесса, производятся в относительно редком (одна из нескольких сотен) процессе ядерного деления тройного деления . В этом процессе из события производятся три заряженные частицы вместо обычных двух, причем наименьшая из заряженных частиц, скорее всего (с вероятностью 90%), является альфа-частицей. Такие альфа-частицы называются «альфа-частицами дальнего радиуса действия», поскольку при их типичной энергии 16 МэВ они имеют гораздо большую энергию, чем когда-либо производимая альфа-распадом. Тройное деление происходит как при делении, вызванном нейтронами ( ядерная реакция , которая происходит в ядерном реакторе), так и когда делящиеся и делящиеся актиниды- нуклиды (т. е. тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанному делению как форме радиоактивного распада. Как при вынужденном, так и при спонтанном делении более высокие энергии, доступные в тяжелых ядрах, приводят к альфа-частицам дальнего радиуса действия с более высокой энергией, чем те, которые возникают при альфа-распаде.
Энергичные ядра гелия (ионы гелия) могут быть получены циклотронами , синхротронами и другими ускорителями частиц . По соглашению их обычно не называют «альфа-частицами». [ необходима цитата ]
Ядра гелия могут участвовать в ядерных реакциях в звездах, и иногда исторически их называли альфа-реакциями (см. тройной альфа-процесс и альфа-процесс ).
Кроме того, ядра гелия с чрезвычайно высокой энергией, иногда называемые альфа-частицами, составляют около 10–12 % космических лучей . Механизмы производства космических лучей продолжают обсуждаться.
Энергия альфа-частицы, испускаемой при альфа-распаде , слабо зависит от периода полураспада процесса испускания, при этом различия в периоде полураспада на много порядков связаны с изменениями энергии менее чем на 50%, как показано в законе Гейгера-Наттолла .
Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется, причем альфа-частицы с более высокой энергией испускаются более крупными ядрами, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7 МэВ (мегаэлектронвольт), что соответствует чрезвычайно длинным и чрезвычайно коротким периодам полураспада альфа-излучающих нуклидов соответственно. Энергии и отношения часто различны и могут использоваться для идентификации конкретных нуклидов, как в альфа-спектрометрии .
При типичной кинетической энергии 5 МэВ; скорость испускаемых альфа-частиц составляет 15 000 км/с, что составляет 5% от скорости света. Эта энергия является существенным количеством энергии для одной частицы, но их большая масса означает, что альфа-частицы имеют более низкую скорость, чем любой другой распространенный тип излучения, например, β-частицы , нейтроны . [12]
Из-за своего заряда и большой массы альфа-частицы легко поглощаются материалами, и они могут перемещаться всего на несколько сантиметров в воздухе. Они могут поглощаться папиросной бумагой или внешними слоями человеческой кожи. Обычно они проникают в кожу на глубину около 40 микрометров , что эквивалентно нескольким клеткам .
Из-за короткого диапазона поглощения и неспособности проникать через внешние слои кожи альфа-частицы, как правило, не опасны для жизни, если только источник не проглатывается или не вдыхается. [13] Из-за этой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды действительно попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании торотраста для высококачественных рентгеновских снимков до 1950-х годов), альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения . Оно является наиболее сильно ионизирующим и при достаточно больших дозах может вызвать любые или все симптомы радиационного отравления . По оценкам, повреждение хромосом от альфа-частиц где-то от 10 до 1000 [14] раз больше, чем вызванное эквивалентным количеством гамма- или бета-излучения, при этом среднее значение установлено в 20 раз. Исследование европейских работников атомной промышленности, подвергшихся внутреннему воздействию альфа-излучения плутония и урана, показало, что если относительная биологическая эффективность считается равной 20, канцерогенный потенциал (с точки зрения рака легких) альфа-излучения, по-видимому, соответствует тому, который сообщается для доз внешнего гамма-излучения, т.е. данная доза вдыхаемых альфа-частиц представляет тот же риск, что и в 20 раз более высокая доза гамма-излучения. [15] Мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм 210 Po испускает столько же альфа-частиц в секунду, сколько 4,215 грамма 226 Ra ) подозревается в роли в раке легких и раке мочевого пузыря, связанном с курением табака . [16] 210 Po был использован для убийства российского диссидента и бывшего сотрудника ФСБ Александра В. Литвиненко в 2006 году. [17]
В 1899 году физики Эрнест Резерфорд (работавший в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Поль Виллар (работавший в Париже) разделили излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал их альфа, бета и гамма, основываясь на проникновении сквозь объекты и отклонении магнитным полем. [6] Альфа-лучи были определены Резерфордом как имеющие наименьшую проникающую способность через обычные объекты.
Работа Резерфорда также включала измерения отношения массы альфа-частицы к ее заряду, что привело его к гипотезе о том, что альфа-частицы являются дважды заряженными ионами гелия (позже было показано, что это голые ядра гелия). [18] В 1909 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказали, что альфа-частицы действительно являются ионами гелия. [19] Для этого они собрали и очистили газ, испускаемый радием, известным излучателем альфа-частиц, в стеклянной трубке. Электрический искровой разряд внутри трубки производил свет. Последующее изучение спектров этого света показало, что газ был гелием, и, таким образом, альфа-частицы действительно были ионами гелия. [9] : 61
Поскольку альфа-частицы встречаются в природе, но могут иметь достаточно высокую энергию , чтобы участвовать в ядерной реакции , их изучение привело к ранним знаниям ядерной физики . Резерфорд использовал альфа-частицы, испускаемые бромидом радия , чтобы сделать вывод о том, что модель атома « сливовый пудинг » Дж. Дж. Томсона была в корне ошибочной. В эксперименте Резерфорда с золотой фольгой, проведенном его студентами Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом , был установлен узкий пучок альфа-частиц, проходящий через очень тонкую (толщиной в несколько сотен атомов) золотую фольгу. Альфа-частицы были обнаружены экраном из сульфида цинка , который испускает вспышку света при столкновении альфа-частиц. Резерфорд выдвинул гипотезу, что, если предположить, что модель атома « сливовый пудинг » верна, положительно заряженные альфа-частицы будут лишь слегка отклоняться, если вообще будут, предсказанным рассеянным положительным зарядом.
Было обнаружено, что некоторые альфа-частицы отклонялись на гораздо большие углы, чем ожидалось (по предложению Резерфорда проверить это), а некоторые даже отскакивали почти прямо назад. Хотя большинство альфа-частиц проходили прямо насквозь, как и ожидалось, Резерфорд заметил, что несколько частиц, которые были отклонены, были сродни выстрелу пятнадцатидюймовым снарядом по папиросной бумаге, только чтобы он отскочил, снова предполагая, что теория «пудинга с изюмом» была верной. Было определено, что положительный заряд атома был сосредоточен в небольшой области в его центре, делая положительный заряд достаточно плотным, чтобы отклонить любые положительно заряженные альфа-частицы, которые приближались к тому, что позже было названо ядром.
До этого открытия не было известно, что альфа-частицы сами по себе являются атомными ядрами, и не было известно о существовании протонов или нейтронов. После этого открытия модель "пудинга с изюмом" Дж. Дж. Томсона была отвергнута, а эксперимент Резерфорда привел к модели Бора , а позднее и к современной волново-механической модели атома.
В 1917 году Резерфорд продолжил использовать альфа-частицы, чтобы случайно получить 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 производит новый тип излучения, которое оказалось ядрами водорода (Резерфорд назвал их протонами ). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны исходят из азотного компонента воздуха, и реакция была выведена как трансмутация азота в кислород в реакции
Это была первая обнаруженная ядерная реакция .
К соседним рисункам: Согласно кривой потери энергии по Брэггу, можно заметить, что альфа-частица действительно теряет больше энергии в конце следа. [20]
В 2011 году участники международного сотрудничества STAR, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, обнаружили антиматерию- партнера ядра гелия, также известную как анти-альфа. [21] В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся лоб в лоб, чтобы произвести античастицу. [22]
В настоящее время альфа-излучающие радионуклиды используются тремя различными способами для уничтожения раковых опухолей: в качестве инфузионной радиоактивной терапии, направленной на определенные ткани (радий-223), в качестве источника излучения, вводимого непосредственно в солидные опухоли (радий-224), и в качестве присоединения к молекуле, нацеленной на опухоль, например, антитела к антигену, ассоциированному с опухолью.
Радий-223 является альфа-излучателем, который естественным образом притягивается к кости, поскольку является миметиком кальция . Радий-223 (в виде дихлорида радия-223) может быть введен в вены онкологического пациента, после чего он мигрирует в части кости, где происходит быстрый оборот клеток из-за наличия метастазирующих опухолей. Попав в кость, Ra-223 испускает альфа-излучение, которое может уничтожить опухолевые клетки на расстоянии 100 микрон. Этот подход используется с 2013 года для лечения рака простаты , который дал метастазы в кости. [27] Радионуклиды, введенные в кровоток, способны достигать участков, которые доступны для кровеносных сосудов. Однако это означает, что внутренняя часть большой опухоли, которая не васкуляризирована (т. е. плохо пронизана кровеносными сосудами), не может быть эффективно уничтожена радиоактивностью.
Радий-224 — это радиоактивный атом, который используется в качестве источника альфа-излучения в устройстве для лечения рака под названием DaRT ( радиационная терапия с рассеивающими альфа-излучателями ). Каждый атом радия-224 подвергается процессу распада, производя 6 дочерних атомов. Во время этого процесса испускаются 4 альфа-частицы. Диапазон альфа-частицы — до 100 микрон — недостаточен для покрытия ширины многих опухолей. Однако дочерние атомы радия-224 могут диффундировать до 2–3 мм в ткани, создавая таким образом «область убийства» с достаточным количеством излучения, чтобы потенциально уничтожить всю опухоль, если семена размещены надлежащим образом. [28] Период полураспада радия-224 достаточно короток и составляет 3,6 дня, чтобы произвести быстрый клинический эффект, избегая при этом риска радиационного повреждения из-за чрезмерного облучения. В то же время период полураспада достаточно длинный, чтобы обеспечить обработку и доставку семян в центр лечения рака в любую точку мира.
Таргетная альфа-терапия для солидных опухолей включает присоединение радионуклида, испускающего альфа-частицы, к молекуле, нацеленной на опухоль, такой как антитело, которое может быть доставлено путем внутривенного введения онкологическому пациенту. [29]
В компьютерной технологии « мягкие ошибки » динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) были связаны с альфа-частицами в 1978 году в чипах DRAM компании Intel . Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в значительной степени считается решенной. [30]