Radiații alfa

Emisia unei particule alfa (protoni roșii, neutroni albastru)

Radiația alfa sau radiația α este radiația ionizantă care apare în timpul descompunerii alfa , un tip de dezintegrare radioactivă a nucleilor atomici. Un nuclid radioactiv care emite această radiație este cunoscut sub numele de emițător alfa . Numele provine din clasificarea Rutherford a radiațiilor din substanțele radioactive în raze alfa, beta și gamma (în ordinea creșterii puterii de penetrare). Radiația alfa este radiația particulelor , deoarece nucleul atomic în descompunere ( nucleul mamă ) emite un nucleu atomic de heliu- 4, care în acest caz se numește particulă alfa și, astfel, devine un nucleu fiică .

Simbolul pentru particula alfa este litera greacă mică α (alfa).

Fizica decăderii alfa

Procesul de descompunere

Spectrul alfa al izotopilor plutoniului ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu și ²³⁸ Pu. Pătarea (coada) fiecărui vârf de pe partea sa cu energie scăzută (stânga) este cauzată de pierderea de energie datorată coliziunilor inelastice ale particulelor alfa din eșantion.

Particula alfa este nucleul unui atom de heliu-4, este un cation divalent de heliu. Se compune din doi protoni și doi neutroni . Numărul de masă al nucleului scade cu patru unități în timpul descompunerii alfa, numărul atomic cu două unități. Dacă X reprezintă nucleul mamei și Y nucleul fiică, energia eliberată în timpul descompunerii și dacă numerele de masă sunt scrise în partea de sus și numerele ordinale în partea de jos, următoarele se aplică decăderii alfa în general: ${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle Z}$

${\ displaystyle {} _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X} \ to {} _ {Z-2} ^ {A-4} \ mathrm {Y} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He} + \ Delta E}$.

Un exemplu concret este:

${\ displaystyle {} _ {\ 62} ^ {146} \ mathrm {Sm} \ to {} _ {\ 60} ^ {142} \ mathrm {Nd} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He} +2 {,} 529 \, \ mathrm {MeV}}$.

Particula alfa părăsește miezul cu o viteză de ieșire cuprinsă între aproximativ 10.000 km / s și 20.000 km / s, corespunzătoare unei energii cinetice de câțiva MeV . Excesul inițial de electroni din atomul fiică care este creat este redus prin reculul decăderii și interacțiunea (echilibrul de încărcare) cu materia înconjurătoare.

Spectrul energetic

Coulombwall . Potențial model pentru o particulă alfa, care este compus din potențialul miezului cu rază scurtă de acțiune, aproximat de un puț potențial și potențialul Coulomb pe termen lung.

Ca și în cazul oricărei dezintegrări radioactive, decăderea alfa eliberează o cantitate bine definită de energie. Acesta corespunde masei care se pierde ca defect de masă prin proces. Această energie apare ca energia cinetică a particulei alfa și a nucleului fiică; În unele cazuri, o parte din energie poate rămâne inițial ca o stare excitată a nucleului fiică și apoi poate fi disipată ca radiație gamma . Energia cinetică este distribuită între cele două particule în proporția inversă a maselor lor (vezi cinematica (procesele particulelor) ). Particulele alfa emise de un anumit nuclid au, prin urmare, spre deosebire, de exemplu, de dezintegrarea beta, doar valori foarte specifice ale energiei cinetice , adică adică spectrul său de energie este un spectru liniar . Acest spectru este caracteristic radionuclidului respectiv. Prin urmare, măsurarea acestuia poate fi utilizată pentru a determina acest nuclid. ${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$

Coulombwall, efect tunel

Pe de o parte, particula alfa este atrasă de nucleu prin interacțiunea puternică , dar în același timp este respinsă electric din cauza sarcinilor cu același nume. Forța nucleară mai puternică are o rază scurtă de acțiune, repulsia electrostatică mai slabă o rază lungă de acțiune. Prin urmare, potențialul formează un fel de barieră, Zidul Coulomb . Peretele este mai mare decât energia cinetică disponibilă pentru particula alfa. Conform fizicii clasice, particula alfa ar fi, prin urmare, legată stabil în nucleu; cu toate acestea, îl poate părăsi prin intermediul efectului de tunel mecanic cuantic . Probabilitatea acestei unități per de timp poate fi foarte mică. Determină timpul de înjumătățire al decăderii. Relația observată între timpul de înjumătățire și energia particulelor alfa emise este descrisă de regula Geiger-Nuttall .

Radionuclizii cu descompunere alfa

Emițătorii alfa tipici care apar în natură sunt uraniul și toriul , precum și produsele lor de degradare radiu și radon . Energia cinetică a unei particule alfa este de obicei de ordinul a 2 până la 5  MeV . Particulele alfa din nuclizi generați artificial pot, totuși, să aibă energii de peste 10 MeV. Energiile alfa și timpul de înjumătățire al nuclizilor individuali pot fi căutați în lista izotopilor și sunt date în hărți cu nuclizi .

Conform formulei de masă Bethe-Weizsäcker, descompunerea alfa are ca rezultat o eliberare de energie pozitivă pentru toți nuclizii din masa numărului 165, deoarece suma maselor particulei alfa și a nucleului fiică calculate în acest mod este mai mică decât masa nucleul mamei. Cu toate acestea, dezintegrarea alfa nu a fost niciodată observată la mulți nuclizi grei. Cu toate acestea, în ultimele decenii unele nuclizi care anterior erau considerați stabili au fost „expuși” ca emițători alfa extrem de longevivi, de exemplu ¹⁴⁹ Sm , ¹⁵² Gd și ¹⁷⁴ Hf . Abia în anii 2000, decăderea alfa cu timpii de înjumătățire de câteva trilioane de ani a putut fi detectată și la ¹⁸⁰ W și ²⁰⁹ Bi .

dovada

În principiu, toți detectoarele de particule sunt potrivite pentru detectarea radiațiilor alfa, de exemplu în scopuri de protecție împotriva radiațiilor . Cu toate acestea, radiația trebuie să poată ajunge în interiorul detectorului, volumul sensibil ; un contor tub trebuie să aibă o fereastră de film suficient de subțire pentru aceasta. Potrivite sunt de ex. B. dispozitivele obișnuite de detectare a contaminării . Pentru măsurători precise, de exemplu pentru a determina spectrul de energie al radiației, sursa de radiație și detectorul trebuie să fie într-un vid comun . Pentru aceasta se folosește de obicei un detector cu semiconductori .

Interacțiunea cu materia

Radiația alfa este cea mai ușoară radiație ionizantă de protejat .

Adâncimea de penetrare, intervalul

Datorită încărcării lor electrice și a masei relativ mari de 4  u , particulele alfa au o adâncime foarte mică de penetrare în materie .

În plus față de energia respectivă, domeniul depinde în esență de densitatea mediului înconjurător. În aer la presiune normală este de aproximativ 10 cm (la 10 MeV) și este invers proporțional cu presiunea aerului. În atmosfera înaltă a pământului sunt sute de kilometri. Cauza este dependența de presiune a traseului liber al particulelor alfa, i. H. distanța dintre partenerii de coliziune ( molecule ) la care particulele alfa își transferă succesiv energia cinetică.

Ionizare de particule alfa este mai dens - adică H. numărul de ioni pe care particula îl generează pe unitatea de lungime a căii sale este mult mai mare - decât cu radiația beta sau gamma, de exemplu . Într-o cameră cu nori , urmele generate de radiația alfa arată, prin urmare, mai scurte și mai groase în comparație cu cele ale razelor beta de energie similară. Adâncimea de penetrare a unei particule alfa de 5,5 MeV în apă sau material organic este, prin urmare, doar de aproximativ 45 μm. O foaie de hârtie ceva mai groasă sau câțiva centimetri de aer sunt în general suficiente pentru a proteja complet radiația alfa.

Spectrometru alfa deschis cu specimen și detector (deasupra)

Efect biologic

Radiația alfa care lovește corpul uman din exterior este relativ inofensivă, deoarece particulele alfa, datorită adâncimii lor scăzute de penetrare, pătrund predominant doar în straturile superioare ale pielii moarte și rămân acolo. Pe de altă parte, un emițător alfa care este încorporat ( încorporat ) în organism prin inhalare sau altfel este foarte dăunător, deoarece radiația sa dăunează celulelor vii. În special atunci când un emițător alfa se acumulează într-un organ, doza de radiație este concentrată într-un spațiu mic și, în anumite circumstanțe, are un efect asupra celulelor importante ale corpului . Factorul de ponderare pentru radiație pentru Radiația alfa a fost stabilit la 20, în timp ce acesta este de numai 1 pentru beta și radiații gamma. Pentru același aport de energie, se presupune de 20 de ori efectul nociv pentru radiațiile alfa.

În balneologia cu radon , se presupune că radiația alfa cu doze mici are un efect de vindecare datorită conținutului de radon al unor băi terapeutice (de exemplu, Badgastein ).

Datorită masei mari a particulei alfa, nucleul fiică primește, de asemenea, o parte vizibilă a energiei eliberate atunci când alfa se descompune. Acest lucru a fost descoperit în 1909 de Lise Meitner și Otto Hahn și corespunde cinematicii dezintegrării cu două particule. Energiile de bază ale fiicei sunt de până la aproximativ 200 keV. Cu emițătorii alfa încorporați, miezurile de recul contribuie astfel și la deteriorarea țesuturilor.

Aplicații

Baterie izotopică

O peletă de plutoniu ( ²³⁸ Pu) strălucește prin propria decădere

Emițătorii alfa (în principal elemente transuranice ) cu un timp de înjumătățire relativ scurt se pot încălzi până la căldură roșie din cauza propriei lor descompuneri alfa. Acest lucru este posibil, deoarece aproape toate particulele alfa cu energie ridicată produse în timpul descompunerii lor sunt încă ținute în interior de atomii lor grei și le conferă energia cinetică sub formă de căldură. Dacă generează, de asemenea, puțină radiație gamma și timpul de înjumătățire (de obicei de câțiva ani până la decenii) este suficient de lung, căldura degajată poate fi utilizată în bateriile cu radionuclizi pentru a genera energie electrică.

detector de fum

Emițătorii alfa sunt utilizați și în detectoarele de fum cu ionizare . Acestea detectează fumul măsurând conductivitatea aerului ionizat de razele alfa, deoarece particulele de fum schimbă conductivitatea.

Produs final heliu

Dacă particulele alfa și-au descompus cea mai mare parte a energiei cinetice după multe coliziuni cu materia, sunt atât de lente încât pot prinde electroni . Aceasta creează gazul nobil heliu , de departe cel mai comun izotop de heliu, heliul-4.

Heliul produs din radiația alfa emisă în interiorul pământului se difuzează relativ ușor prin minerale. În bulele de gaze naturale atinge concentrații de câteva procente, astfel încât sursele individuale de gaze naturale pot fi utilizate și economic pentru producerea heliului.

Heliul din atmosferă continuă să crească datorită densității sale reduse; La altitudini cuprinse între 700 și 1700 km, heliul este cel mai frecvent gaz. O mică, dar nu mai neglijabilă parte a atomilor săi atinge viteza de evacuare a pământului și scapă pentru totdeauna de câmpul gravitațional al pământului.

„Razele alfa” din alte surse decât cele radioactive

În fizică , termenul de particulă alfa este de obicei folosit pentru a descrie orice nucleu de heliu-4 complet ionizat , chiar dacă nu provine dintr-o dezintegrare radioactivă. De exemplu, aproximativ 12% din toate particulele din razele cosmice galactice sunt particule alfa. Acest lucru nu este surprinzător, heliul fiind unul dintre cele mai abundente elemente din univers. Cu toate acestea, această parte a razelor cosmice nu ajunge niciodată la sol.

Particulele alfa pot fi, de asemenea, create artificial din heliu gazos într-o sursă de ioni . Dacă acestea se află într-un accelerator de particule accelerează fasciculul este uneori în consecință numit jetul alfa .

Istoria cercetării

Radiația alfa a fost prima formă de radioactivitate care a fost detectată. Antoine Henri Becquerel a descoperit-o în 1896 prin înnegrirea plăcilor foto ambalate la lumină cu săruri de uraniu . Cercetările ulterioare efectuate de Marie Curie și Pierre Curie au condus, printre altele, la izolarea produselor de degradare a uraniului radiu și poloniu și dovada că acestea sunt și emițătoare alfa. Cei trei cercetători au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru această realizare în 1903 .

În 1898, Ernest Rutherford a arătat că diferite tipuri de radiații ionizante ar putea fi distinse prin capacitățile lor de penetrare diferite și au inventat termenii radiații α și β. În 1899, Stefan Meyer , Egon Schweidler și Friedrich Giesel au demonstrat diferențierea prin diferite devieri în câmpul magnetic.

Observând liniile spectrale în timpul descărcării gazelor , Rutherford a reușit să demonstreze identitatea particulelor alfa ca nuclee de heliu în 1908.

În 1911, Rutherford a folosit raze alfa pentru experimentele sale de împrăștiere, ceea ce a dus la stabilirea modelului atomic al lui Rutherford .

In 1913, Kasimir Fajans și Frederick Soddy creat in deplasare radioactive teoremele care determină nuclid produs în timpul alfa cariilor .

Razele alfa lovind nucleele atomice de azot, Rutherford a putut observa o conversie a elementelor artificiale pentru prima dată în 1919: oxigenul a fost creat în reacția nucleară ¹⁴ N (α, p) ¹⁷ O sau, mai complet scris,

${\ displaystyle _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} + {} _ {2} ^ {4} \ alpha \ to {} _ {\ 8} ^ {17} \ mathrm {O} + { } _ {1} ^ {1} \ mathrm {p}}$.

În 1928 George Gamow a găsit explicația mecanică cuantică a decăderii alfa prin efectul tunel , vezi și factorul Gamow .

literatură

• Werner Stolz, radioactivitate. Noțiuni de bază - Măsurare - Aplicații , Teubner, ediția a 5-a, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .

Fizica nucleara

• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik , Teubner, ediția a VI-a 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge : Fizica nucleară. O introducere ; cu 24 de tabele, 89 de exerciții cu soluții detaliate, precum și căsuțe pentru explicații și o prezentare istorică a dezvoltării fizicii nucleare. Springer, Berlin 1996, ISBN 3-540-61236-X .
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro: Fundamente în fizica nucleară: de la structura nucleară la cosmologie , Springer, New York 2005, ISBN 0-387-01672-4 .

Istoria cercetării

• Milorad Mlađenović, Istoria fizicii nucleare timpurii (1896-1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Protecția împotriva radiațiilor

• Hanno Krieger: Bazele fizicii radiațiilor și ale protecției împotriva radiațiilor . Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .
• Claus Grupen: Curs de bază în radioprotecție. Cunoștințe practice pentru manipularea substanțelor radioactive , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin: Physics for Radiation Protection , John Wiley & Sons, New York 2006, ISBN 0-471-35373-6 .

medicament

• Günter Goretzki: Radiații medicale. Bazele fizico-tehnice , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr: Biologie clinică a radiațiilor - pe scurt , Elsevier, Urban și Fischer, München 2006, ISBN 3-437-23960-0 .

Link-uri web

Wikționar: radiații alfa  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Literatura de și despre radiațiile alfa din catalogul Bibliotecii Naționale Germane
• „Protecția împotriva radiațiilor Glosar“ a Centrului de Cercetare Jülich a explicat mulți termeni referitori la radiații ionizante (alfa, beta, radiații gamma, reglementări, protecția împotriva radiațiilor, etc.).

Video

• Explicație simplă a „unu și jumătate”

Dovezi individuale

1. ↑ Dacă nu se specifică altfel, informațiile despre proprietățile particulelor din caseta de informații sunt preluate din publicarea Grupului de activități CODATA privind constantele fundamentale : valorile recomandate CODATA. Institutul Național de Standarde și Tehnologie, accesat la 4 iulie 2019 .  Cifrele dintre paranteze denotă incertitudinea din ultimele cifre ale valorii; această incertitudine este dată ca deviația standard estimată a valorii numerice specificate de la valoarea reală.
2. ↑ Cristina Cozzini și colab., Detectarea naturii? descompunerea tungstenului , Physical Review C (2004), preimprimare .
3. ↑ Pierre de Marcillac și colab., Detectarea experimentală a particulelor alfa din degradarea radioactivă a bismutului natural , Nature 422, pp. 876-878 (24 aprilie 2003), tabel de rezultate .
4. ↑ Demonstrații ale cursului de științe naturale de la Harvard: α, β, γ Penetration and Shielding. Accesat la 20 februarie 2020 . 
5. ↑ C. Grupen: Astroparticle Physics , Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2 , p. 78.
6. ^ Radiația de uraniu și conducta electrică produsă de acesta . În: Revista filozofică . Episodul 5, volumul 47, numărul 284, 1899, p. 116 ( doi: 10.1080 / 14786449908621245 ).
7. ^ Ernest Rutherford și T. Royds: Natura particulei α din substanțe radioactive. Phil. Mag. 17, 281-6 (1909) online .
8. ↑ George Gamow (1928): Despre teoria cuantică a nucleului atomic. Zeitschrift für Physik 51 , p. 204