Кіріспе

Радиоактивті ыдырау түрі. Альфа ыдырауы немесе α ыдырауы – атом ядросы альфа бөлшегін (гелий ядросы) шығарып, осылайша басқа атом ядросына айналады немесе “ыдырайды”, онда массалық саны төртке, ал атомдық нөмірі екіге кемиді. Альфа бөлшегі екі протон мен екі нейтроннан тұратын гелий-4 атомының ядросына толыққандай ұқсас. Оның заряды +2 және массасы 4-ке тең. Мысалы, уран-238 торий-234-ке ыдырайды. Альфа бөлшектерінің заряды +2 болғанымен, бұл әдетте көрсетілмейді, себебі ядролық теңдеу электрондарды ескермей, ядролық реакцияны сипаттайды – бұл конвенция ядролардың міндетті түрде бейтарап атомдарда болатынын білдірмейді. Альфа ыдырауы көбінесе ең ауыр нуклидтерде жүзеге асады. Теориялық тұрғыдан алғанда, ол тек никельден (28 элемент) әлдеқайда ауыр ядроларда ғана болуы мүмкін, онда нуклеонға шаққандағы жалпы байланыс энергиясы енді максималды емес, сондықтан нуклидтер спонтанды бөлінуге бейім. Іс жүзінде, бұл ыдырау түрі никельден әлдеқайда ауыр нуклидтерде ғана байқалды, ал ең жеңіл альфа-эмиттер – антимонның ең жеңіл екінші изотопы 104Sb. Бірақ, ерекше жағдайда бериллий-8 екі альфа бөлшегіне ыдырайды. Альфа ыдырауы – кластерлік ыдыраудың ең көп таралған түрі, онда материалдық атом нуклеондардың анықталған жиынтығын шығарып, басқа анықталған өнімді қалдырады. Бұл ең көп таралған түр, себебі альфа бөлшегінің өте жоғары ядролық байланыс энергиясы мен салыстырмалы түрде кішкентай массасының үйлесімінен туындайды. Басқа кластерлік ыдыраулар сияқты, альфа ыдырауы да кванттық туннельдеу процесі болып табылады. Бета ыдыраудан айырмашылығы, ол күшті ядролық күш пен электромагниттік күш арасындағы өзара әрекеттесу арқылы басқарылады. Альфа бөлшектерінің типтік кинетикалық энергиясы 5 МэВ (немесе олардың жалпы энергиясының шамамен 0,13%-ы, 110 ТДж/кг) және шамамен 15 000 000 м/с жылдамдық, яғни жарық жылдамдығының 5%-ы. Бұл процестің жартылай өмір кезеңінің энергияға өте сезімталдығына байланысты, бұл энергиядағы ауытқулар өте аз. Альфа бөлшектерінің салыстырмалы түрде үлкен массасы, +2 электр заряды және салыстырмалы түрде төмен жылдамдығы оларды басқа атомдармен өзара әрекеттесуге және энергия жоғалтуға бейім етеді, ал олардың тікелей қозғалысын бірнеше сантиметр ауа тоқтатуы мүмкін. Жерде өндірілетін гелийдің шамамен 99%-ы уран немесе торий бар минералдардың жер асты кен орындарындағы альфа ыдырауының нәтижесі болып табылады. Гелий табиғи газ өндірісінің қосалқы өнімі ретінде жер бетіне шығарылады.

Тарих

Альфа бөлшектері алғаш рет 1899 жылы Эрнест Резерфордтың радиоактивтілікті зерттеу барысында сипатталды, ал 1907 жылы олар He2+ иондары екені анықталды. 1928 жылы Джордж Гамов туннельдеу арқылы альфа-ыдырау теориясын шешті. Альфа бөлшегі ядроның ішінде тартымды ядролық потенциалдық құдық және итергіш электромагниттік потенциалдық кедергі арқылы тұтылады. Классикалық физика бойынша, одан қашу мүмкін емес, бірақ кванттық механиканың жаңа ашылған принциптеріне сәйкес, оның кедергі арқылы "туннельдеу" және ядродан қашып шығу үшін екінші жағына өтуінің өте аз (бірақ нөл емес) ықтималдығы бар. Гамов ядро үшін модельдік потенциалды шешіп, алғашқы принциптерден ыдыраудың жартылай өмірі мен шығарылатын энергия арасындағы қатынасты шығарды, бұл қатынас бұрын эмпирикалық жолмен ашылған және Гейгер-Натталл заңы деп белгілі болған.

Механизм

Атом ядросын біріктіретін ядролық күш өте күшті, жалпы алғанда протондар арасындағы электромагниттік күштен әлдеқайда күшті. Дегенмен, ядролық күш те қысқа қашықтықта әрекет етеді, шамамен 3 фемтометрден асып кеткенде күші тез төмендейді, ал электромагниттік күштің қашықтығы шексіз. Ядроны бірге ұстап тұратын тартымды ядролық күштің күші нуклондар санына пропорционалды, бірақ ядроны бөлгісі келген протон-протонның тебуінен туындайтын электромагниттік күш оның атомдық санының квадратына пропорционал. 210 немесе одан да көп нуклоны бар ядро соншалықты үлкен, оны бірге ұстап тұратын күшті ядролық күш, құрамындағы протондар арасындағы электромагниттік тебуге шамамен тең келеді. Мұндай ядроларда альфа-ыдырау көлемді азайту арқылы тұрақтылықты арттырудың бір жолы болып табылады. Бір қызықты мәселе – неге альфа бөлшектері, яғни гелий ядролары, бір протон немесе нейтрон сияқты басқа бөлшектерге қарағанда басымдықпен шығарылуы керек? Бұның бір себебі – альфа бөлшегінің жоғары байланыс энергиясы, яғни оның массасы екі еркін протон мен екі еркін нейтронның массасының қосындысынан кем. Бұл ыдырау энергиясын арттырады. Ядроның бастапқы массасы mi, бөлшек шығарылғаннан кейін ядроның массасы mf және шығарылған (альфа) бөлшектің массасы mp болатын теңдеу арқылы есептелген жалпы ыдырау энергиясы кейбір жағдайларда оң болып шығады, сондықтан альфа бөлшегінің шығарылуы мүмкін, ал басқа ыдырау түрлері энергияны қосуды қажет етеді. Мысалы, уран-232 үшін есептеулер альфа бөлшегінің шығарылуы 5,4 МэВ энергияны бөліп шығаратынын, ал бір протонның шығарылуына 6,1 МэВ қажет екенін көрсетеді. Ыдырау энергиясының көп бөлігі альфа бөлшегінің кинетикалық энергиясына айналады, бірақ импульстің сақталуы үшін энергияның бір бөлігі ядроның өзінің кері соққысына жұмсалады (атомдық кері соққыны қараңыз). Алайда, альфа-эмиссиялайтын радиоизотоптардың көпшілігінің массалық саны 210-нан асып түседі, бұл альфа бөлшегінің массалық санынан (4) әлдеқайда көп, сондықтан ядроның кері соққысына жұмсалатын энергияның үлесі әдетте өте аз, 2%-дан кем. 1928 жылы Рональд Уилфред Гурни мен Эдвард Кондон бұл құбылысты кванттық теорияның маңызды растауы деп атады. Іс жүзінде, альфа бөлшегі оны шектеуші қабырғадан өту үшін жеткілікті энергия жинамай, одан туннель арқылы шығады. Гурни мен Кондон өз мақалаларында мынаны атап өтті: "Бұрын ядроның белгілі бір ерікті "тұрақсыздығын" қабылдау қажет болды, бірақ төменде көрсетілгендей, ыдырау кванттық механика заңдарының табиғи салдары болып табылады, ешқандай арнайы гипотеза қажет емес. α бөлшегі ядродан қаншалықты күшпен шығатыны туралы көп нәрсе жазылған. Бірақ жоғарыда суреттелген процестен қарағанда, α бөлшегі көбінесе байқаусыз қашып кетеді. Теорияның егжей-тегжейін зерттеу радиоизотоптың жартылай өмір сүру мерзімін оның альфа бөлшектерінің ыдырау энергиясымен байланыстыратын теңдеуге әкеледі, бұл эмпирикалық Гейгер-Натталл заңының теориялық түсіндірмесі."

Қолданылуы

Америций-241, альфа-эмиттер, түтін дабылдарында қолданылады. Альфа бөлшектері ашық иондық камерада ауаны иондайды және иондалған ауа арқылы шағын ток өтеді. Өрттен пайда болған түтін бөлшектері камераға енгенде ток мөлшері азаяды, соның салдарынан түтін дабылы қосылады. Радий-223 де альфа-эмиттер болып табылады. Ол сүйек метастаздарын (сүйектердегі қатерлі ісіктерді) емдеу үшін қолданылады. Альфа-ыдырау радиоизотоптық термоэлектрлік генераторлары үшін қауіпсіз қуат көзі болып табылады, олар ғарыш зондтарында қолданылады және бұрын жасанды жүрек кардиостимуляторларында қолданылған. Альфа-ыдырау, басқа радиоактивті ыдырау түрлеріне қарағанда әлдеқайда оңай қорғалады. Статикалық зарядты жою құрылғылары әдетте ауаны иондау үшін альфа-эмиттер полоний-210-ды пайдаланады, бұл "статикалық жабысудың" жылдам таралуына мүмкіндік береді.

Уыттылық

Жоғары зарядталған және ауыр альфа бөлшектері материалдың кішкентай көлемінде бірнеше МэВ энергиясын жоғалтады, сонымен қатар өте қысқа орташа еркін жолға ие болады. Бұл ішкі ластану жағдайында, жұтқанда, тыныс алғанда, инъекцияланғанда немесе тері арқылы енгізілгенде ДНК-ның екі тізбекті жұлыну мүмкіндігін арттырады. Әдетте, альфа көзіне тию зиянды емес, себебі альфа бөлшектері бірнеше сантиметр ауа, қағаз немесе эпидермисті құрайтын өлі тері жасушаларының жұқа қабатымен тиімді қорғалады. Алайда, көптеген альфа көздері бета-сәуле шығаратын радиоактивті қыздарымен бірге келеді, және екеуі де көбінесе гамма-фотондық сәуле шығарумен сүйемелдейді. Салыстырмалы биологиялық тиімділік (RBE) сәулеленудің белгілі бір биологиялық әсерлерді тудыру қабілетін, атап айтқанда, қатерлі ісік немесе жасуша өлімін, эквивалентті сәулелену әсеріне қатысты өлшейді. Альфа сәулеленуі жоғары сызықтық энергия беру коэффициентіне (LET) ие, ол альфа бөлшегінің әрбір ангстрем саяхатында молекула/атомның бір иондануына тең. Әртүрлі мемлекеттік регламенттерге сәйкес, альфа сәулеленуі үшін RBE 20-ға орнатылған. RBE нейтрондық сәулелену үшін 10-ға, ал бета сәулеленуі және иондаушы фотондар үшін 1-ге орнатылған. Дегенмен, бастапқы ядроның кері толқыны (альфа кері толқыны) оған маңызды энергия береді, бұл да иондану зақымдануына себеп болады (иондаушы сәулеленуді қараңыз). Бұл энергия шамамен альфаның салмағын (4) бастапқы ядроның салмағына (әдетте 200 Да) бөлу арқылы, сосын альфаның жалпы энергиясына көбейтіледі. Кейбір есептеулерге сәйкес, бұл ішкі сәулелену зақымдануының көп бөлігін құруы мүмкін, себебі кері толқын ядросы альфа бөлшегінен әлдеқайда үлкен атомның бөлігі болып табылады және ионданудың өте тығыз іздерін қалдырады; атом әдетте ауыр металл болып табылады, ол хромосомаларда жиналады. Кейбір зерттеулерде бұл мемлекеттік регламенттерде қолданылатын мәнге қарағанда 1000-ға жуық RBE-ге әкелді. Халыққа сәулеленудің ең көп үлесін тигізетін табиғи фактор – радон, топырақ пен тас-құмдарда кездесетін табиғи радиоактивті газ. Егер газ тыныспен ішке тартылса, радон бөлшектерінің бір бөлігі өкпе ішкі қабырғасына жабысып қалуы мүмкін. Бұл бөлшектер ыдырауын жалғастырады, альфа бөлшектерін шығарады, олар өкпе тініндегі жасушаларды зақымдауы мүмкін. Мари Кюридің 66 жасында апластикалық анемиядан қайтыс болуы, ұзақ уақыт бойы иондаушы сәулеленудің жоғары дозасына ұшыраудың салдары болған, бірақ бұл альфа сәулеленуінен ме, әлде рентген сәулелерінен ме екені белгісіз. Кюри радиймен кеңінен жұмыс істеді, ол радонға ыдырайды, сонымен қатар бета және гамма сәулелерін шығаратын басқа радиоактивті материалдармен де жұмыс істеді. Алайда, Кюри Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде қорғалмаған рентген түтікшелерімен де жұмыс істеді, ал қайта жерлеу кезінде оның қаңқасын талдау радиоизотоптық жүктеменің салыстырмалы түрде төмен деңгейін көрсетті. 2006 жылы Ресейге қайтқан Александр Литвиненконың радиациялық уланудан қайтыс болуы полиний-210, альфа-эмиттер арқылы жасалған деп есептеледі.