Альфа-распад - Alpha decay

Визуальное представление альфа-распада

Альфа - распад или α-распад является одним из видов радиоактивного распада , в котором атомное ядро испускает альфа - частицу (ядро гелий) и тем самых преобразования или «затухает» в другое атомное ядро с массовым числом , которое восстанавливается четыре и атомным число , уменьшенное на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4 , которое состоит из двух протонов и двух нейтронов . Он несет ответственность за+2  e и массашт . Например, уран-238 распадается с образованием тория-234 . Альфа-частицы имеют заряд +2  e , но поскольку ядерное уравнение описывает ядерную реакцию без учета электронов - соглашение, которое не подразумевает, что ядра обязательно находятся в нейтральных атомах - заряд обычно не указывается. Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых нуклидах. Теоретически это может происходить только в ядрах, несколько более тяжелых, чем никель (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 способ распада наблюдался только у нуклидов, значительно более тяжелых, чем никель, причем самыми легкими из известных альфа-излучателей являются легчайшие изотопы (массовые числа 104–109) теллура (элемент 52). Однако в исключительных случаях бериллий-8 распадается на две альфа-частицы. Альфа-распад на сегодняшний день является наиболее распространенной формой распада кластера , когда родительский атом выбрасывает определенную дочернюю совокупность нуклонов, оставляя после себя другой определенный продукт. Это наиболее распространенная форма из-за сочетания чрезвычайно высокой ядерной энергии связи и относительно небольшой массы альфа-частицы. Как и другие распады кластеров, альфа-распад - это, по сути, процесс квантового туннелирования . В отличие от бета-распада , он определяется взаимодействием как сильного ядерного взаимодействия, так и электромагнитного взаимодействия . 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% скорости света . Существует удивительно небольшое изменение этой энергии из- за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от произведенной энергии. Из-за их относительно большой массы электрический заряд+2  e 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 полезных ископаемых, содержащих уран или торий . Гелий выводится на поверхность как побочный продукт производства природного газа .

История

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 через туннелирование. Альфа-частица захвачена внутри ядра привлекательной ядерной потенциальной ямой и отталкивающим электромагнитным потенциальным барьером . Классически ему запрещено убегать, но согласно недавно открытым принципам квантовой механики , он имеет крошечную (но отличную от нуля) вероятность « туннелирования » через барьер и появления на другой стороне, чтобы покинуть ядро. . Гамов решил модельный потенциал ядра и вывел из первых принципов взаимосвязь между периодом полураспада распада и энергией излучения, которая была ранее обнаружена эмпирически и известна как закон Гейгера-Наттолла .

Механизм

Ядерная сила держит атомное ядро вместе очень сильно, в общем случае гораздо сильнее , чем отталкивания электромагнитных сил между протонами. Тем не менее, ядерная сила также является короткодействующей, быстро падая в силе, превышающей примерно 1 фемтометр , в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный диапазон. Таким образом, сила притяжения ядерной силы, удерживающей ядро ​​вместе, пропорциональна количеству нуклонов, но полная разрушающая электромагнитная сила, 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 ли может уравновесить электромагнитное отталкивание между содержащимися в нем протонами. В таких ядрах происходит альфа-распад как средство повышения стабильности за счет уменьшения размера.

Одним из любопытства почему альфа - частицы, ядра гелия, должны быть преимущественно испускаются в отличие от других частиц как одного протона или нейтрона или других атомных ядер . Частично причина кроется в высокой энергии связи альфа-частицы, что означает, что ее масса меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Это увеличивает энергию распада. Вычисление полной энергии дезинтеграции, заданной уравнением

где m i - начальная масса ядра, m f - масса ядра после испускания частицы, а m p - масса испускаемой частицы, обнаруживается, что в некоторых случаях она положительна, и поэтому возможно испускание альфа-частицы. , тогда как другие режимы распада потребуют добавления энергии. Например, выполнение расчета для урана-232 показывает, что испускание альфа-частиц дает энергию 5,4 МэВ, в то время как для одного испускания протона потребуется 6,1 МэВ. Большая часть энергии распада становится кинетической энергией самой альфа-частицы, хотя для 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, чем массовое число альфа-частицы (4), доля энергии, идущая на отдачу ядра, обычно довольно мала, менее 2%, однако энергия отдачи (в масштабе кэВ) по-прежнему намного больше, чем сила химических связей (в масштабе эВ), поэтому дочерний нуклид вырвется из химической среды, в которой находился родительский элемент. альфа-частицы можно использовать для идентификации радиоактивного родителя с помощью альфа-спектрометрии .

Однако эти энергии разрушения существенно меньше, чем потенциальный барьер отталкивания, создаваемый электромагнитной силой, которая не позволяет альфа-частице улетать. Энергия, необходимая для того, чтобы перенести альфа-частицу из бесконечности в точку, близкую к ядру, за пределами действия ядерной силы, обычно находится в диапазоне примерно 25 МэВ. Альфа-частицу можно представить как находящуюся внутри потенциального барьера, стенки которого на 25 МэВ выше потенциала на бесконечности. Однако энергия распада альфа-частиц только на 4–9 МэВ превышает потенциал на бесконечности, что намного меньше энергии, необходимой для выхода.

Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частице убегать через квантовое туннелирование. Квантовая туннельная теория альфа-распада, независимо разработанная Джорджем Гамовым, Рональдом Уилфредом Герни и Эдвардом Кондоном в 1928 году, была расценена как очень яркое подтверждение квантовой теории. По сути, альфа-частица выходит из ядра не за счет получения энергии, достаточной для прохождения через ограничивающую ее стенку, а за счет туннелирования через нее. Гурни и Кондон сделали следующее наблюдение в своей статье по этому поводу:

До сих пор было необходимо постулировать некую особую произвольную «нестабильность» ядра, но в следующей заметке указывается, что распад является естественным следствием законов квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы ... Многое было написано взрывной силы, с которой α-частица выбрасывается со своего места в ядре. Но из процесса, изображенного выше, можно было бы сказать, что α-частица почти незаметно ускользает.

Теория предполагает, что альфа-частица может рассматриваться как независимая частица внутри ядра, которая находится в постоянном движении, но удерживается внутри ядра за счет сильного взаимодействия. При каждом столкновении с отталкивающим потенциальным барьером электромагнитной силы существует небольшая ненулевая вероятность того, что она туннелирует свой выход. Альфа-частица со скоростью 1,5 × 10 7  м / с в пределах диаметра ядра примерно 10 -14  м будет сталкиваться с барьером более 10 21 раз в секунду. Однако, если вероятность ускользания при каждом столкновении очень мала, период полураспада радиоизотопа будет очень большим, поскольку это время, необходимое для того, чтобы общая вероятность ускользания достигла 50%. В качестве крайнего примера, период полураспада изотопа висмута-209 составляет2.01 × 10 19  лет .

 Теоретически предполагается, что изотопы в стабильных изобарах с бета-распадом , которые также стабильны в отношении двойного бета-распада с массовым числом A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  ≤ 162 и A ≥ 165, претерпевают альфа-излучение. разлагаться. Все остальные массовые числа ( изобары ) имеют ровно один теоретически устойчивый нуклид ). Те, у кого масса 5, распадаются на гелий-4 и протон или нейтрон , а те, у которых 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 велики. (Такие нуклиды с A  ≤ 209 являются первичными нуклидами, кроме 146 Sm.)

Разработка деталей теории приводит к уравнению, связывающему период полураспада радиоизотопа с энергией распада его альфа-частиц, теоретическому выводу эмпирического закона Гейгера-Наттолла .

Использует

Америций-241 , альфа-излучатель , используется в детекторах дыма . Альфа-частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере, и через ионизированный воздух протекает небольшой ток . Частицы дыма от огня, попадающие в камеру, уменьшают силу тока, вызывая срабатывание сигнализации дымового извещателя.

Радий-223 также является альфа-излучателем . Он используется при лечении метастазов в скелете (рака в костях).

Альфа-распад может обеспечить безопасный источник энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для космических зондов и искусственных кардиостимуляторов . От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада.

В нейтрализаторах статического электричества обычно используется полоний-210 , альфа-излучатель, для ионизации воздуха, что позволяет «статическому электричеству» рассеиваться быстрее.

Токсичность

Сильно заряженные и тяжелые альфа-частицы теряют свою 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 вредно, поскольку альфа-частицы эффективно экранируются несколькими сантиметрами воздуха, листом бумаги или тонким слоем мертвых клеток кожи, составляющих эпидермис ; однако многие альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими дочерними радиоизлучениями, и оба часто сопровождаются испусканием 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, пройденный альфа-частицей. RBE был установлен на уровне 20 для альфа-излучения различными правительственными постановлениями. RBE устанавливается на 10 для нейтронного облучения и на 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  u ), деленному на вес родительского элемента (обычно около 200 u), умноженному на общую энергию альфа. По некоторым оценкам, это могло бы объяснить большую часть внутреннего радиационного повреждения, 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 предпочтительно накапливается на хромосомах . В некоторых исследованиях это привело к тому, что RBE приблизилась к 1000 вместо значения, используемого в правительственных постановлениях.

Наибольший естественный вклад в дозу облучения населения вносит радон , радиоактивный газ природного происхождения, содержащийся в почве и горных породах. При вдыхании газа некоторые частицы радона могут прикрепиться к внутренней оболочке легкого. Эти частицы продолжают распадаться, испуская альфа-частицы, которые могут повредить клетки легочной ткани. Смерть Марии Кюри в возрасте 66 лет от апластической анемии, вероятно, была вызвана длительным воздействием высоких доз ионизирующего излучения, но неясно, было ли это связано с альфа-излучением или рентгеновскими лучами. Кюри активно работал с радием, который распадается на радон, а также с другими радиоактивными материалами, излучающими 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.

Считается, что убийство российского диссидента Александра Литвиненко в результате радиационного отравления в 2006 году было совершено с использованием полония-210 , альфа-излучателя.

использованная литература

Примечания

внешние ссылки