Что такое альфа частица в физике кратко
Обновлено: 04.05.2024
Альфа-частицы, также называемый альфа-лучи или же альфа-излучение, состоят из двух протоны и два нейтроны связаны вместе в частицу, идентичную гелий-4 ядро. Обычно они производятся в процессе альфа-распад, но также может производиться другими способами. Альфа-частицы названы в честь первой буквы в Греческий алфавит, α. Символ альфа-частицы - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда записывают как Он 2+
или же 4
2 Он 2+
указывает на ион гелия с зарядом +2 (без двух электронов). Однажды ион получает электроны из окружающей среды, альфа-частица становится нормальным (электрически нейтральным) атомом гелия 4
2 Он .
Однако так называемые альфа дальнего действия частицы из тройное деление в три раза энергичнее и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, составляющие 10–12% космические лучи 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 тело человека, а также на многие метры плотной твердой защиты, в зависимости от их энергии. В меньшей степени это справедливо также для ядер гелия очень высоких энергий, произведенных на ускорителях частиц.
Содержание
Источники альфа-частиц
Альфа-распад
Альфа-излучение обнаружено в изопропаноле камера тумана (после введения искусственного источника радона-220).
Самый известный источник альфа-частиц - альфа-распад из более тяжелых (> 106 ты атомная масса) атомов. Когда атом испускает альфа-частицу при альфа-распаде, атомный массовое число уменьшается на четыре из-за потери четырех нуклоны в альфа-частице. В атомный номер атома уменьшается на два, в результате потери двух протонов атом становится новым элементом. Примеры такого рода ядерная трансмутация альфа-распадом распадаются уран к торий, и что из радий к радон.
Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивный ядра, такие как уран, торий, актиний, и радий, так же хорошо как трансурановый элементы. В отличие от других типов распада, альфа-распад как процесс должен иметь атомное ядро минимального размера, которое может его поддерживать. Наименьшие ядра, которые, как было установлено на сегодняшний день, способны испускать альфа, - бериллий-8 и самый легкий нуклиды из теллур (элемент 52) с массовыми числами от 104 до 109. Альфа-распад иногда оставляет ядро в возбужденном состоянии; эмиссия гамма-луч затем удаляет лишнее энергия.
Механизм образования при альфа-распаде
В отличие от бета-распад, то фундаментальные взаимодействия за альфа-распад отвечает баланс между электромагнитная сила и ядерная сила. Альфа-распад является результатом Кулоновское отталкивание [2] между альфа-частицей и остальной частью ядра, которые оба имеют положительный электрический заряд, но это контролируется ядерная сила. В классическая физика, альфа-частицам не хватает энергии, чтобы покинуть потенциальная яма от сильной силы внутри ядра (эта скважина включает в себя уход от сильной силы, поднимающейся вверх с одной стороны ямы, за которой следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивание вниз с другой стороны).
Тем не менее квантовое туннелирование эффект позволяет альфам уйти, даже если у них недостаточно энергии для преодоления ядерная сила. Это допускается волновой природой материи, которая позволяет альфа-частице проводить некоторое время в области, настолько далекой от ядра, что потенциал отталкивающей электромагнитной силы полностью компенсирует притяжение ядерной силы. С этого момента альфа-частицы могут улетать.
Тройное деление
Ускорители
Реакции солнечного ядра
Как уже отмечалось, ядра гелия могут участвовать в ядерных реакциях в звездах, и иногда и исторически их называют альфа-реакциями (см., Например, тройной альфа-процесс).
Космические лучи
Кроме того, ядра гелия чрезвычайно высоких энергий, которые иногда называют альфа-частицами, составляют от 10 до 12% космические лучи. Механизмы образования космических лучей продолжают обсуждаться.
Энергия и поглощение
Энергия альфа-частицы, испускаемой в альфа-распад слабо зависит от периода полураспада для процесса эмиссии, причем различия в периоде полураспада на много порядков связаны с изменениями энергии менее 50%.
Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется, при этом альфа-частицы с более высокой энергией испускаются из более крупных ядер, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7.МэВ (мегаэлектрон-вольт), что соответствует чрезвычайно длительному и чрезвычайно короткому периоду полураспада альфа-излучающих нуклидов соответственно.
С типичной кинетической энергией 5 МэВ; скорость испускаемых альфа-частиц составляет 15 000 км / с, что составляет 5% от скорости света. Эта энергия является значительным количеством энергии для отдельной частицы, но их высокая масса означает, что альфа-частицы имеют более низкую скорость, чем любой другой распространенный тип излучения, например β частицы, нейтроны. [4]
Из-за своего заряда и большой массы альфа-частицы легко поглощаются материалами и могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров. Они могут абсорбироваться папиросной бумагой или внешними слоями кожи человека. Обычно они проникают через кожу около 40микрометры, что эквивалентно нескольким клетки глубокий.
Биологические эффекты
Из-за небольшого диапазона абсорбции и невозможности проникновения через внешние слои кожи альфа-частицы, как правило, не опасны для жизни, если их источник не проглатывается или не вдыхается. [5] Из-за этой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании Торотраст для высококачественных рентгеновских изображений до 1950-х годов) альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения. Он наиболее ионизирующий, и при достаточно больших дозах может вызывать любые или все симптомы радиационное отравление. Считается, что хромосома Ущерб от альфа-частиц от 10 до 1000 раз больше, чем ущерб, нанесенный эквивалентным количеством гамма- или бета-излучения, при этом среднее значение установлено в 20 раз. Исследование европейских ядерщиков, 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, согласуется с сообщенным для доз внешнее гамма-излучение, т.е. заданная доза вдыхаемых альфа-частиц, представляет такой же риск, как и доза гамма-излучения, в 20 раз превышающая ее. [6] Мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм 210 По испускает столько альфа-частиц в секунду, сколько 4,215 грамма 226 Ра) подозревается в причастности к рак легких и Рак мочевого пузыря относится к курение табака. [7] 210 По использовался для убийства российского диссидента и бывшегоФСБ офицер Литвиненко Александр Васильевич в 2006 году. [8]
Когда испускаются альфа-частицы изотопы попадают в организм, они гораздо более опасны, чем можно было бы предположить, исходя из их периода полураспада или скорости распада из-за высокого относительная биологическая эффективность альфа-излучения, чтобы вызвать биологический ущерб. Альфа-излучение в среднем примерно в 20 раз опаснее, а в экспериментах с вдыхаемыми альфа-излучателями - до 1000 раз опаснее. [9] чем эквивалентная деятельность бета-испускание или же гамма-излучение радиоизотопы.
История открытия и использования
Альфа-излучение состоит из гелий-4 ядро и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение, состоящее из электроны, останавливается алюминиевой пластиной. Гамма-излучение в конечном итоге поглощается, проникая в плотный материал. Свинец хорошо поглощает гамма-излучение благодаря своей плотности.
В 1899 году физики Эрнест Резерфорд (работает в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Поль Вильярд (работая в Париже) разделил излучение на три типа: в конечном итоге Резерфорд назвал его альфа, бета и гамма на основе проникновения объектов и отклонения магнитным полем. [10] Альфа-лучи были определены Резерфордом как лучи с наименьшим проникновением среди обычных объектов.
Работа Резерфорда также включала измерения отношения массы альфа-частицы к ее заряду, что привело его к гипотезе о том, что альфа-частицы являются двухзарядными ионами гелия (позже выяснилось, что это голые ядра гелия). [11] В 1907 г. Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказал, что альфа-частицы действительно были ионами гелия. [12] Для этого они позволили альфа-частицам проникнуть через очень тонкую стеклянную стенку откачанной трубки, таким образом захватив большое количество предполагаемых ионов гелия внутри трубки. Затем они вызвали электрическая искра внутри трубки, которая обеспечивала поток электронов, которые захватывались ионами с образованием нейтральных атомов газа. Последующее изучение спектров образовавшегося газа показало, что это был гелий и что альфа-частицы действительно были предполагаемыми ионами гелия.
Поскольку альфа-частицы встречаются в природе, но могут иметь энергия достаточно высокий, чтобы участвовать в ядерная реакция, их изучение привело к очень раннему знанию ядерная физика. Резерфорд использовал альфа-частицы, испускаемые бромид радия сделать вывод, что Дж. Дж. Томсонс Сливовый пудинг модель атома был в корне ошибочным. В Эксперимент Резерфорда с золотой фольгой проводились его учениками Ганс Гейгер и Эрнест Марсденбыл установлен узкий пучок альфа-частиц, проходящий через очень тонкую (толщиной в несколько сотен атомов) золотую фольгу. Альфа-частицы были обнаружены сульфид цинка экран, который излучает вспышку света при столкновении альфа-частицы. Резерфорд предположил, что, предполагая "сливовый пудинг«модель атома верна, положительно заряженные альфа-частицы будут лишь слегка отклоняться, если вообще будут отклоняться предсказанным рассеянным положительным зарядом.
Потеря энергии (Кривая Брэгга) в воздухе для типичных альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде.
След одиночной альфа-частицы, полученный ядерным физиком Вольфхартом Виллимчиком с его искровой камерой, специально созданной для альфа-частиц.
В 1917 году Резерфорд использовал альфа-частицы, чтобы случайно произвести то, что он позже понял как направленное ядерная трансмутация одного элемента к другому. Трансмутация элементов из одного в другой понималась с 1901 года как результат естественного радиоактивный распад, но когда Резерфорд спроецировал альфа-частицы от альфа-распада в воздух, он обнаружил, что это дает новый тип излучения, которое оказалось ядрами водорода (Резерфорд назвал их протоны). Дальнейшие эксперименты показали, что протоны происходят из азотного компонента воздуха, и было установлено, что реакция представляет собой превращение азота в кислород в реакции
Это было впервые обнаружено ядерная реакция.
К соседним изображениям: Согласно кривой потерь энергии Брэгга можно распознать, что альфа-частица действительно теряет больше энергии в конце следа. [13]
Анти-альфа-частица
В 2011 году члены международной STAR сотрудничество с использованием Релятивистский коллайдер тяжелых ионов на Министерство энергетики СШАс Брукхейвенская национальная лаборатория обнаружил антивещество партнер ядра гелия, также известный как анти-альфа. [14] В эксперименте использовались ионы золота, движущиеся почти со скоростью света и сталкивающиеся друг с другом, чтобы произвести античастицу. [15]
Приложения
- Немного детекторы дыма содержат небольшое количество альфа-излучателя америций-241. Альфа-частицы ионизировать воздух в небольшом промежутке. Маленький Текущий проходит через этот ионизированный воздух. Частицы дыма от огня, попадающие в воздушный зазор, уменьшают ток, вызывая тревогу. Изотоп чрезвычайно опасен при вдыхании или проглатывании, но опасность минимальна, если источник держать закрытым. Многие муниципалитеты разработали программы по сбору и утилизации старых детекторов дыма, чтобы не допустить их попадания в общий поток отходов.
- Альфа-распад может обеспечить безопасный источник энергии для радиоизотопные термоэлектрические генераторы используется для космические зонды и искусственные кардиостимуляторы. От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада. Плутоний-238, источнику альфа-частиц, требуется всего 2,5 мм вести экранирование для защиты от нежелательного излучения. обычно используют полоний-210альфа-излучатель для ионизации воздуха, позволяющий "статическое прилипание"для более быстрого рассеивания.
- В настоящее время исследователи пытаются использовать разрушительную природу альфа-излучающих радионуклидов внутри тела, направляя небольшие количества в опухоль. Альфа повреждают опухоль и останавливают ее рост, а их небольшая глубина проникновения препятствует радиационное повреждение окружающей здоровой ткани. Этот тип рак терапия называется лучевая терапия с открытым источником.
Альфа-излучение и ошибки DRAM
В компьютерных технологиях динамическая память с произвольным доступом (DRAM) "мягкие ошибки"были связаны с альфа-частицами в 1978 году в Intelмикросхемы DRAM. Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в значительной степени считается решенной. [16]
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.
). Образуется при альфа-распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа-распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами. [1] .
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8–15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья. Опасно для здоровья также внешнее облучение высокоэнергичными альфа-частицами, источником которых является ускоритель. Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность (г/см 2 ).
| Энергия α-частиц, МэВ | 4 | 6 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| Воздух, см | 2.5 | 4.6 | 7.4 | 10.6 |
| Биологическая ткань, мкм | 31 | 56 | 96 | 130 |
| алюминий, мкм | 16 | 30 | 48 | 69 |
Таким образом, опасность для человека могут представлять излучение α-частиц с энергиями достаточными для преодоления кожного покрова (10 МэВ и выше). В то же время, большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ. [2] .
Альфа-частицы образуются также в результате ядерных реакций. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6 Li+ 2 H= 4 He+ 4 He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия (из звёздных атмосфер и межзвёздного газа), некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц.
Масса альфа-частицы составляет 6,644656·10 −27 кг, что эквивалентно энергии 3,72738 ГэВ.
Детектируются альфа-частицы с помощью кремниевых pin-диодов и соответствующей усилительной электроники, а также с помощью трековых детекторов.
Альфа частица представляет собой положительно заряженную частицу в ядерной физике, которая образуется при распаде ядер и имеет два протона и два нейтрона. Поток таких частиц принято называть альфа излучением.
Открытие в ядерной физике
Впервые о данном явлении упомянул ученый Э. Резерфорд еще вначале XX в., который в числе первых предположил наличие бета, гамма и, конечно же, альфа частиц, провел много опытов превращения ядер азота в ядра кислорода. Среди нескольких видов излучений, альфа излучение наиболее безопасное для живых существ.
Основные характеристики
Альфа частица выглядит как симметричный объект в виде сферы, при радиусе приблизительно 2·10 -13 см. Что касается ее массы, то это — 6.6·10 -27 кг. Скорость ее передвижения довольно низкая, при выхождении из ядра, она способна перемещаться еще некоторое расстояние, затем останавливается.
При близком контакте с кожей человека она способна проникнуть на расстояние всего нескольких микрон. Это объясняется процессом ионизации, при котором поток отдает большую часть своей первоначальной энергии.
Взаимодействие альфа излучения с различными веществами
Частицы, образующие альфа излучение, являются довольно тяжелыми, вследствие чего у них небольшая скорость. Также, стоит отметить, что большое количество своей энергии они передают поглотителю при малой скорости, при этом образуется большое количество пар ионов. Для примера рассматривается частица со скоростью 20 мм/с которая способна образовать в воздухе приблизительно сто тысяч пар ионов.
Влияние на живые организмы
Альфа-распад атомного ядра
Внешняя проникающая способность данного излучения небольшая, может вполне задерживаться слоем бумаги. При малом внешнем воздействии возможно развитие злокачественных образований и нарушение правильного обмена веществ. Однако, при таком виде подвержены поражению слизистые участки тела и глаза, которые не поддаются дальнейшему излечению.
В процессе большого количества исследований, ученые пришли к выводу, что альфа частицы при попадании в живой организм с помощью пищи, воды и воздуха могут принести поистине катастрофические разрушения, поскольку они полностью сжигают живой организм изнутри. Особенно опасными признаны альфа частицы плутония 239, которые активно накапливаются в почках, печени, легких, селезенке и приводят к тяжелой форме лучевой болезни, затем и к скорому летальному исходу.
Научно-популярный фильм о Эрнесте Резерфорде
В альфа-частицы (или α-частицы) являются ядрами ионизированных атомов гелия, которые поэтому потеряли свои электроны. Ядра гелия состоят из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, эти частицы имеют положительный электрический заряд, величина которого вдвое превышает заряд электрона, а их атомная масса равна 4 атомным единицам массы.
Некоторые радиоактивные вещества испускают альфа-частицы спонтанно. В случае Земли основным известным естественным источником альфа-излучения является газ радон. Радон - это радиоактивный газ, который присутствует в почве, воде, воздухе и некоторых породах.
Открытие
В течение 1899 и 1900 годов физики Эрнест Резерфорд (работавший в Университете Макгилла в Монреале, Канада) и Пол Виллар (работавший в Париже) различали три типа заявок, названных самим Резерфордом: альфа, бета и гамма.
Различия проводились на основании их способности проникать в предметы и их отклонения под действием магнитного поля. Благодаря этим свойствам Резерфорд определил альфа-лучи как имеющие самую низкую проникающую способность среди обычных объектов.
Таким образом, работа Резерфорда включала измерения отношения массы альфа-частицы к ее заряду. Эти измерения привели его к предположению, что альфа-частицы были двухзарядными ионами гелия.
Наконец, в 1907 году Эрнесту Резерфорду и Томасу Ройдсу удалось показать, что гипотеза, установленная Резерфордом, верна, тем самым показав, что альфа-частицы были дважды ионизированными ионами гелия.
характеристики
Некоторые из основных характеристик альфа-частиц следующие:
Атомная масса
4 атомные единицы массы; то есть 6,68 ∙ 10 -27 кг.
Загрузить
Положительный, в два раза больше заряда электрона, или что то же: 3,2 ∙ 10 -19 С.
Скорость
Порядка 1,5 · 10 7 м / с и 3 10 7 РС.
Ионизация
Они обладают высокой способностью ионизировать газы, превращая их в токопроводящие газы.
Кинетическая энергия
Его кинетическая энергия очень высока из-за большой массы и скорости.
Проницаемость
У них низкая проникающая способность. В атмосфере они быстро теряют скорость при взаимодействии с различными молекулами из-за их большой массы и электрического заряда.
Альфа-распад
Альфа-распад или альфа-распад - это тип радиоактивного распада, который состоит из испускания альфа-частицы.
Когда это происходит, массовое число радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер - на две единицы.
В целом процесс выглядит следующим образом:
Альфа-распад обычно происходит в более тяжелых нуклидах. Теоретически это может происходить только в ядрах несколько тяжелее никеля, в которых общая энергия связи на нуклон уже не минимальна.
Самые легкие известные излучающие альфа-частицы ядра - это изотопы теллура с наименьшей массой. Таким образом, теллур 106 ( 106 Те) - самый легкий изотоп, в котором альфа-распад происходит в природе. Однако исключительно 8 Be можно разбить на две альфа-частицы.
Поскольку альфа-частицы относительно тяжелые и положительно заряжены, их длина свободного пробега очень мала, поэтому они быстро теряют кинетическую энергию на небольшом расстоянии от источника излучения.
Альфа-распад от ядер урана
Очень распространенный случай альфа-распада происходит в уране. Уран - самый тяжелый химический элемент в природе.
В своей естественной форме уран присутствует в трех изотопах: уран-234 (0,01%), уран-235 (0,71%) и уран-238 (99,28%). Процесс альфа-распада наиболее распространенного изотопа урана выглядит следующим образом:
238 92 U → 234 90Чт + 4 2у меня есть
Гелий
Весь гелий, который в настоящее время существует на Земле, происходит из процессов альфа-распада различных радиоактивных элементов.
По этой причине его обычно находят в месторождениях полезных ископаемых, богатых ураном или торием. Точно так же это также связано с скважинами для добычи природного газа.
Токсичность и опасность альфа-частиц для здоровья
Как правило, внешнее альфа-излучение не представляет опасности для здоровья, поскольку альфа-частицы могут преодолевать расстояния всего в несколько сантиметров.
Таким образом, альфа-частицы поглощаются газами, присутствующими всего в нескольких сантиметрах воздуха, или тонким внешним слоем омертвевшей кожи человека, предотвращая, таким образом, опасность для здоровья человека.
Однако альфа-частицы очень опасны для здоровья при проглатывании или вдыхании.
Это потому, что, хотя они и обладают небольшой проникающей способностью, их воздействие очень велико, поскольку они являются самыми тяжелыми атомными частицами, испускаемыми радиоактивным источником.
Приложения
Альфа-частицы имеют разные применения. Вот некоторые из наиболее важных:
- Устранение статического электричества в промышленных приложениях.
- Использование в детекторах дыма.
- Источник топлива для спутников и космических аппаратов.
- Источник питания для кардиостимуляторов.
- Источник питания для выносных сенсорных станций.
- Источник питания для сейсмических и океанографических приборов.
Как можно видеть, очень часто альфа-частицы используются в качестве источника энергии для различных приложений.
Более того, одно из основных применений альфа-частиц сегодня - это снаряды в ядерных исследованиях.
Во-первых, альфа-частицы образуются за счет ионизации (то есть отделения электронов от атомов гелия). Позже эти альфа-частицы ускоряются до высоких энергий.
Читайте также: