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] Обычно они образуются в процессе альфа-распада , но могут образовываться и другими способами. Альфа-частицы названы в честь первой буквы греческого алфавита α . Символ альфа-частицы — α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда пишут как He.2+
или4
2Он2+
что указывает на ион гелия с зарядом +2 (без двух электронов ). Как только ион получает электроны из своего окружения, альфа-частица становится обычным (электрически нейтральным) атомом гелия.4
2Он .
Альфа-частицы имеют чистый спин, равный нулю. Из-за механизма их образования при стандартном альфа- радиоактивном распаде альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5 МэВ и скорость около 4% скорости света . (См. ниже обсуждение пределов этих цифр при альфа-распаде.) Они представляют собой сильно ионизирующую форму излучения частиц и, когда они возникают в результате радиоактивного альфа-распада , обычно имеют низкую глубину проникновения (останавливаются несколькими сантиметрами воздуха или кожа ) .
Однако так называемые дальнодействующие альфа- частицы тройного деления имеют в три раза большую энергию и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, составляющие 10–12% космических лучей, также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем те, которые производятся в процессах ядерного распада, и, таким образом, могут обладать высокой проникающей способностью и способны проходить через человеческое тело, а также многие метры плотной твердой защиты, в зависимости от на их энергии. В меньшей степени это справедливо и для ядер гелия очень высоких энергий, получаемых на ускорителях частиц.
Термин «альфа-частица» был введен Эрнестом Резерфордом в отчете о его исследованиях свойств уранового излучения. [6] Излучение, по-видимому, имело два разных характера: первый он назвал « излучением», а более проникающий — « излучением». После пяти лет дополнительных экспериментальных работ Резерфорд и Ганс Гейгер определили, что альфа-частица после потери положительного заряда представляет собой атом гелия. [7] [8] [9] : 61
Альфа-излучение состоит из частиц, эквивалентных дважды ионизированным ядрам гелия ( He2+
), которые могут получать электроны, проходя через вещество. Этот механизм является источником земного газа гелия. [10]
Самый известный источник альфа-частиц — альфа-распад более тяжелых (атомный вес > 106 u ) 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 путем 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 атомное ядро минимального размера, которое может его поддерживать. Наименьшими ядрами, способными к альфа-излучению на сегодняшний день, являются бериллий-8 и сурьма-104 , не считая бета-замедленного альфа-излучения некоторых более легких элементов. Альфа-распад иногда оставляет родительское ядро в возбужденном состоянии; испускание гамма-лучей затем 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 возникает в результате кулоновского отталкивания [4] между альфа-частицей и остальной частью ядра, оба из которых имеют положительный электрический заряд , но который удерживается под контролем ядерной силы . В классической физике альфа-частицам не хватает энергии, чтобы покинуть потенциальную яму из-за сильного взаимодействия внутри ядра (этот колодец предполагает выход из сильного взаимодействия и подъем на одну сторону ямы, за которым следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивание). отталкивание вниз в другую сторону).
Однако эффект квантового туннелирования позволяет альфам сбежать, даже если у них недостаточно энергии для преодоления ядерного взаимодействия . Это позволяет волновая природа материи, которая позволяет альфа-частице проводить некоторое время в области, настолько далекой от ядра, что потенциал отталкивающей электромагнитной силы полностью компенсирует притяжение ядерной силы. Из этой точки альфа-частицы могут уйти.
Особенно энергичные альфа-частицы, образующиеся в результате ядерного процесса, образуются в относительно редком (одна из нескольких сотен) процессе тройного деления ядер . В этом процессе в результате события рождаются три заряженные частицы вместо обычных двух, причем наименьшая из заряженных частиц, скорее всего (вероятность 90%), является альфа-частицей. Такие альфа-частицы называются «альфа-частицами дальнего радиуса действия», поскольку при их типичной энергии 16 МэВ они имеют гораздо более высокую энергию, чем когда-либо производившаяся при альфа-распаде. Тройное деление происходит как при делении, вызванном нейтронами ( ядерная реакция , которая происходит в ядерном реакторе), так и когда делящиеся и делящиеся нуклиды актинидов (т.е. тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанному делению как форме радиоактивного распада. Как при индуцированном, так и при спонтанном делении более высокие энергии, доступные в тяжелых ядрах, приводят к образованию дальних альфа-излучений с более высокой энергией, чем при альфа-распаде.
Энергичные ядра гелия (ионы гелия) могут быть получены с помощью циклотронов , синхротронов и других ускорителей частиц . Условно говоря, их обычно не называют «альфа-частицами». [ нужна 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 чрезвычайно высоких энергий, иногда называемые альфа-частицами, составляют от 10 до 12% космических лучей . Механизмы образования 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 многие порядки связаны с изменениями энергии менее 50%, как показано методом Гейгера – Наттолла. закон .
Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется: альфа-частицы с более высокой энергией испускаются из более крупных ядер, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7 МэВ (мегаэлектронвольт), что соответствует чрезвычайно длительному и чрезвычайно короткому периоду полураспада. альфа-излучающие нуклиды соответственно. Энергии и соотношения часто различны и могут использоваться для идентификации конкретных нуклидов, как в альфа-спектрометрии .
С типичной кинетической энергией 5 МэВ; Скорость испускаемых альфа-частиц составляет 15 000 км/с, что составляет 5% скорости света. Эта энергия представляет собой значительное количество 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 могут перемещаться в воздухе всего на несколько сантиметров. Они могут впитываться папиросной бумагой или внешними слоями кожи человека. Обычно они проникают в кожу на глубину около 40 микрометров , что эквивалентно глубине нескольких клеток .
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 такой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды действительно попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании торотраста для получения высококачественных рентгеновских изображений до 1950-х годов) Альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения . Он обладает наиболее сильной ионизирующей способностью и при достаточно больших дозах может вызвать любые или все симптомы радиационного отравления . Подсчитано, что повреждение хромосом альфа-частицами в 10–1000 раз превышает повреждение хромосом, вызванное эквивалентным количеством гамма- или бета-излучения, при этом среднее значение установлено в 20 раз. Исследование европейских атомных работников, 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, соответствует тому, что сообщается для доз внешнее гамма-излучение, т.е. определенная доза вдыхаемых альфа-частиц, представляет тот же риск, что и доза гамма-излучения, в 20 раз более высокая. [14] Мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм 210 Po излучает столько же альфа-частиц в секунду, сколько 4,215 грамма 226 Ra ) подозревается в том, что он играет роль в развитии рака легких и рака мочевого пузыря , связанного с курением табака . [15] 210 По использовался для убийства российского диссидента и бывшего офицера ФСБ Александра Литвиненко в 2006 году. [16]
Когда изотопы , излучающие альфа-частицы , попадают в организм, они гораздо более опасны, чем можно было бы предположить по их периоду полураспада или скорости распада, из-за высокой относительной биологической эффективности альфа-излучения по нанесению биологического ущерба. Альфа-излучение в среднем примерно в 20 раз опаснее, а в экспериментах с ингаляционными альфа-излучателями – до 1000 раз опаснее [17] , чем эквивалентная активность бета-излучающих или гамма-излучающих радиоизотопов.
В 1899 году физики Эрнест Резерфорд (работавший в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Поль Виллар (работающий в Париже) разделили излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал их альфа-, бета- и гамма-излучением, основываясь на проникновении в объекты и отклонении от них. магнитное поле. [6] Альфа-лучи были определены Резерфордом как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность по сравнению с обычными объектами.
Работа Резерфорда также включала измерения отношения массы альфа-частицы к ее заряду, что привело его к гипотезе о том, что альфа-частицы представляют собой двухзарядные ионы гелия (позже выяснилось, что это голые ядра гелия). [18] В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказали, что альфа-частицы действительно являются ионами гелия. [19] Для этого они собрали и очистили газ, выделяемый радием, известным излучателем альфа-частиц, в стеклянной трубке. Электрический искровой разряд внутри трубки давал свет. Последующее исследование спектров этого света показало, что газом был гелий и, следовательно, альфа-частицы действительно были ионами гелия. [9] : 61
Поскольку альфа-частицы возникают в природе, но могут иметь достаточно высокую энергию , чтобы участвовать в ядерной реакции , их изучение привело к появлению многих ранних знаний в области ядерной физики . Резерфорд использовал альфа-частицы, испускаемые бромидом радия , чтобы сделать вывод, что модель атома Дж. Дж. Томсона в виде сливового пудинга фундаментально ошибочна. В эксперименте Резерфорда с золотой фольгой, проведенном его учениками 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 с помощью экрана из сульфида цинка , который излучает вспышку света при столкновении альфа-частиц. Резерфорд выдвинул гипотезу, что, если предположить, что модель атома « сливового пудинга » верна, положительно заряженные альфа-частицы будут лишь незначительно отклоняться, если вообще будут отклоняться, 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 прошли сквозь него, как и ожидалось, Резерфорд отметил, что несколько отклоненных частиц были сродни выстрелу пятнадцатидюймового снаряда в папиросную бумагу только для того, чтобы тот отскочил, снова предполагая, что теория «сливового пудинга» верна. . Было установлено, что положительный заряд атома сконцентрирован в небольшой области в его центре, что делает положительный заряд достаточно плотным, чтобы отклонять любые положительно заряженные альфа-частицы, приближающиеся к тому, что позже было названо ядром.
До этого открытия не было известно, что альфа-частицы сами по себе являются атомными ядрами, а также не было известно о существовании протонов или нейтронов. После этого открытия от модели Дж. Дж. Томсона «сливового пудинга» отказались, а эксперимент Резерфорда привел к модели Бора , а затем и к современной волново-механической модели атома.
В 1917 году Резерфорд использовал альфа-частицы, чтобы случайно произвести то, что он позже понял как направленную ядерную трансмутацию одного элемента в другой. Трансмутацию элементов из одного в другой считали с 1901 года результатом естественного радиоактивного распада , но когда Резерфорд спроецировал альфа-частицы в результате альфа-распада в воздух, он обнаружил, что это приводит к образованию нового типа излучения, которым оказались ядра водорода (Резерфорд назвал эти протоны ). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны исходят из азотистого компонента воздуха, и был сделан вывод, что реакция представляет собой превращение азота в кислород в реакции
Это была первая обнаруженная ядерная реакция .
На соседние изображения: Согласно кривой потерь энергии Брэгга, видно, что альфа-частица действительно теряет больше энергии на конце следа. [20]
В 2011 году члены международного сотрудничества STAR с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили партнера ядра гелия из антивещества , также известного как анти-альфа. [21] В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся друг с другом, образуя античастицу. [22]
Альфа-излучающие радионуклиды в настоящее время используются тремя различными способами для искоренения раковых опухолей: в качестве инфузионного радиоактивного средства, направленного на определенные ткани (Радий-223), в качестве источника радиации, вводимого непосредственно в твердые опухоли (Радий-224) и в качестве источника радиации, вводимого непосредственно в солидные опухоли (Радий-224). присоединение к молекуле, нацеленной на опухоль, такой как антитело к опухолеассоциированному антигену.
Радий-223 — это альфа-излучатель, который естественным образом притягивается к костям, поскольку является миметиком кальция . Радий-223 (в виде дихлорида радия-223) можно вводить в вены онкологического больного, после чего он мигрирует в части кости, где происходит быстрый обмен клеток из-за наличия метастазов опухоли. 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 , метастазировавшего в кость. [27] Радионуклиды, попадающие в кровоток, способны достигать участков, доступных 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 ( диффузионная лучевая терапия альфа-излучателями ). Каждый атом радия-224 подвергается процессу распада с образованием 6 дочерних атомов. Во время этого процесса испускаются 4 альфа-частицы. Радиус действия альфа-частицы — до 100 микрон — недостаточен для покрытия ширины многих опухолей. Однако дочерние атомы радия-224 могут диффундировать в ткани на глубину до 2–3 мм, создавая таким образом «область поражения» с достаточным количеством радиации, чтобы потенциально уничтожить всю опухоль, если семена помещены соответствующим образом. [28] Период полураспада радия-224 достаточно короток и составляет 3,6 дня, чтобы обеспечить быстрый клинический эффект, избегая при этом риска радиационного повреждения из-за чрезмерного облучения. В то же время период полураспада достаточно велик, чтобы можно было обрабатывать и доставлять семена в онкологический центр в любую точку земного шара.
Таргетная альфа-терапия солидных опухолей включает присоединение радионуклида, излучающего альфа-частицы, к молекуле, нацеленной на опухоль, такой как антитело, которую можно доставить путем внутривенного введения больному раком. [29]
В компьютерных технологиях « мягкие ошибки » динамической оперативной памяти (DRAM) были связаны с альфа-частицами в 1978 году в чипах Intel DRAM. Это открытие привело к строгому контролю над радиоактивными элементами в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема во многом считается решенной. [30]