Введение
Альфа-распад или α-распад — это тип радиоактивного распада, при котором атомное ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия) и тем самым преобразуется или "распадается" в другое атомное ядро, с массовым числом, уменьшенным на четыре, и атомным числом, уменьшенным на два. Альфа-частица идентична ядру атома гелия-4, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Она имеет заряд +2 и массу 4. Например, уран-238 распадается с образованием тория-234. Хотя альфа-частицы имеют заряд +2, это обычно не указывается, поскольку ядерное уравнение описывает ядерную реакцию без учета электронов — соглашение, которое не подразумевает, что ядра обязательно существуют в нейтральных атомах. Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых нуклидах. Теоретически, он может происходить только в ядрах, несколько тяжелее никеля (элемент 28), где общая энергия связи на нуклон больше не является максимальной, и нуклиды, следовательно, нестабильны по отношению к процессам спонтанного деления. На практике этот вид распада наблюдался только в нуклидах, значительно тяжелее никеля, причем самым легким известным альфа-излучателем является второй по легкости изотоп сурьмы, 104Sb. Однако, в исключительных случаях, бериллий-8 распадается на две альфа-частицы. Альфа-распад является наиболее распространенной формой кластерного распада, при котором родительский атом выбрасывает определенную группу дочерних нуклонов, оставляя после себя другой определенный продукт. Он является наиболее распространенной формой из-за сочетания чрезвычайно высокой энергии ядерного связывания и относительно небольшой массы альфа-частицы. Как и другие кластерные распады, альфа-распад по своей сути является квантовым туннельным процессом. 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% их общей энергии, 110 ТДж/кг) и скорость около 15 000 000 м/с, или 5% скорости света. Наблюдается удивительно небольшое отклонение от этой энергии из-за сильной зависимости периода полураспада этого процесса от выделяемой энергии. Из-за относительно большой массы, электрического заряда +2 и относительно низкой скорости, альфа-частицы с большой вероятностью взаимодействуют с другими атомами и теряют свою энергию, а их прямолинейное движение может быть остановлено несколькими сантиметрами воздуха. Примерно 99% гелия, производимого на Земле, является результатом альфа-распада подземных залежей минералов, содержащих уран или торий. Гелий выносится на поверхность как побочный продукт добычи природного газа.
Alpha decay or α decay is a type of radioactive decay in which an atomic nucleus emits an alpha particle (helium nucleus) and thereby transforms or "decays" into a different atomic nucleus, with a mass number that is reduced by four and an atomic number that is reduced by two. An alpha particle is identical to the nucleus of a helium 4 atom, which consists of two protons and two neutrons. It has a charge of +2 and a mass of 4. For example, uranium 238 decays to form thorium 234. While alpha particles have a charge +2, this is not usually shown because a nuclear equation describes a nuclear reaction without considering the electrons – a convention that does not imply that the nuclei necessarily occur in neutral atoms. Alpha decay typically occurs in the heaviest nuclides. Theoretically, it can occur only in nuclei somewhat heavier than nickel (element 28), where the overall binding energy per nucleon is no longer a maximum and the nuclides are therefore unstable toward spontaneous fission type processes. In practice, this mode of decay has only been observed in nuclides considerably heavier than nickel, with the lightest known alpha emitter being the second lightest isotope of antimony, 104Sb. Exceptionally, however, beryllium 8 decays to two alpha particles. Alpha decay is by far the most common form of cluster decay, where the parent atom ejects a defined daughter collection of nucleons, leaving another defined product behind. It is the most common form because of the combined extremely high nuclear binding energy and relatively small mass of the alpha particle. Like other cluster decays, alpha decay is fundamentally a quantum tunneling process. Unlike beta decay, it is governed by the interplay between both the strong nuclear force and the electromagnetic force. Alpha particles have a typical kinetic energy of 5 MeV (or ≈ 0.13% of their total energy, 110 TJ/kg) and have a speed of about 15,000,000 m/s, or 5% of the speed of light. There is surprisingly small variation around this energy, due to the strong dependence of the half life of this process on the energy produced. Because of their relatively large mass, the electric charge of +2 and relatively low velocity, alpha particles are very likely to interact with other atoms and lose their energy, and their forward motion can be stopped by a few centimeters of air. Approximately 99% of the helium produced on Earth is the result of the alpha decay of underground deposits of minerals containing uranium or thorium. The helium is brought to the surface as a by product of natural gas production.
История
Альфа-частицы были впервые описаны в исследованиях радиоактивности Эрнестом Резерфордом в 1899 году, а к 1907 году они были идентифицированы как ионы He2+. К 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада посредством туннельного эффекта. Альфа-частица удерживается внутри ядра притягательным ядерным потенциалом и отталкивающим электромагнитным потенциальным барьером. Классически, её выход за пределы барьера невозможен, но согласно (тогда) недавно открытым принципам квантовой механики, существует крошечная (но ненулевая) вероятность "туннелирования" сквозь барьер и появления по другую сторону, что позволяет ей покинуть ядро. Гамов решил модель потенциала для ядра и, исходя из первых принципов, вывел соотношение между периодом полураспада и энергией испускаемых частиц, которое ранее было обнаружено эмпирически и известно как закон Гейгера — Натталла.
and a repulsive electromagnetic potential barrier. Classically, it is forbidden to escape, but according to the (then) newly discovered principles of quantum mechanics, it has a tiny (but non zero) probability of "tunneling" through the barrier and appearing on the other side to escape the nucleus. Gamow solved a model potential for the nucleus and derived, from first principles, a relationship between the half life of the decay, and the energy of the emission, which had been previously discovered empirically and was known as the Geiger–Nuttall law.
Механизм
Ядерная сила, удерживающая атомное ядро вместе, очень сильна, в целом намного сильнее, чем отталкивающие электромагнитные силы между протонами. Однако ядерная сила также имеет короткий радиус действия, быстро ослабевая на расстояниях более 3 фемтометров, в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный радиус действия. Сила притяжения ядерной силы, удерживающей ядро вместе, пропорциональна числу нуклонов, но общая деструктивная электромагнитная сила отталкивания протонов, стремящихся разорвать ядро, приблизительно пропорциональна квадрату его атомного номера. Ядро, содержащее 210 или более нуклонов, настолько велико, что сильная ядерная сила, удерживающая его вместе, едва способна сбалансировать электромагнитное отталкивание между содержащимися в нем протонами. Альфа-распад происходит в таких ядрах как способ повышения стабильности за счет уменьшения размера. Один из вопросов заключается в том, почему альфа-частицы, ядра гелия, предпочтительно испускаются, а не другие частицы, такие как одиночный протон или нейтрон, или другие атомные ядра. Частично это объясняется высокой энергией связи альфа-частицы, что означает, что ее масса меньше суммы масс двух свободных протонов и двух свободных нейтронов. Это увеличивает энергию распада. Вычисляя общую энергию распада по формуле
где mi – начальная масса ядра, mf – масса ядра после испускания частицы, а mp – масса испущенной (альфа) частицы, можно обнаружить, что в некоторых случаях она положительна, и, следовательно, возможно испускание альфа-частиц, в то время как другие типы распада потребовали бы добавления энергии. Например, расчет для урана-232 показывает, что испускание альфа-частицы высвобождает 5,4 МэВ энергии, в то время как испускание одного протона потребовало бы 6,1 МэВ. Большая часть энергии распада преобразуется в кинетическую энергию альфа-частицы, хотя для соблюдения закона сохранения импульса часть энергии уходит на отдачу самого ядра (см. атомную отдачу). Однако, поскольку массовые числа большинства альфа-радиоактивных изотопов превышают 210, что значительно больше, чем массовое число альфа-частицы (4), доля энергии, идущая на отдачу ядра, обычно довольно мала – менее 2%. Работа Рональда Уилфреда Гурни и Эдварда Кондона, опубликованная в 1928 году, была встречена как очень убедительное подтверждение квантовой теории. По сути, альфа-частица покидает ядро не за счет приобретения достаточной энергии для преодоления барьера, удерживающего ее, а за счет туннелирования сквозь этот барьер. Гурни и Кондон сделали следующее наблюдение в своей работе:
<blockquote>До сих пор было необходимо постулировать некоторую специальную произвольную «нестабильность» ядра, но в настоящей заметке указывается, что распад является естественным следствием законов квантовой механики, без каких-либо специальных гипотез. Много написано о взрывной силе, с которой α-частица выбрасывается из своего места в ядре. Но, исходя из описанного выше процесса, можно скорее сказать, что α-частица почти незаметно ускользает. Детальная разработка теории приводит к уравнению, связывающему период полураспада радиоизотопа с энергией распада его альфа-частиц, что является теоретическим выводом эмпирического закона Гейгера — Натталла.
<blockquote>It has hitherto been necessary to postulate some special arbitrary 'instability' of the nucleus, but in the following note, it is pointed out that disintegration is a natural consequence of the laws of quantum mechanics without any special hypothesis Much has been written of the explosive violence with which the α particle is hurled from its place in the nucleus. But from the process pictured above, one would rather say that the α particle almost slips away unnoticed. Working out the details of the theory leads to an equation relating the half life of a radioisotope to the decay energy of its alpha particles, a theoretical derivation of the empirical Geiger–Nuttall law.
Применение
Америций-241, являясь альфа-излучателем, используется в дымовых извещателях. Альфа-частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере, и через ионизированный воздух протекает небольшой ток. Частицы дыма, попадающие в камеру, уменьшают этот ток, что приводит к срабатыванию сигнализации дымового извещателя. Радий-223 также является альфа-излучателем и применяется для лечения костных метастазов (рака костей). Альфа-распад может служить безопасным источником энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых в космических аппаратах, и ранее применялся в искусственных кардиостимуляторах. Альфа-излучение гораздо легче экранировать, чем другие виды радиоактивного распада. В антистатиках обычно используется полоний-210, альфа-излучатель, для ионизации воздуха, что способствует более быстрому рассеиванию статического электричества.
Токсичность
Высокозаряженные и тяжелые альфа-частицы теряют свои несколько МэВ энергии в небольшом объеме материала, наряду с очень коротким средним свободным путем. Это увеличивает вероятность возникновения двунитевых разрывов ДНК в случаях внутреннего загрязнения, при попадании внутрь с пищей, при вдыхании, инъекциях или проникновении через кожу. В противном случае, прикосновение к альфа-источнику обычно безвредно, 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 радиогенными дочерними продуктами распада, и оба часто сопровождаются гамма-излучением. Относительная биологическая эффективность (RBE) количественно определяет способность излучения вызывать определенные биологические эффекты, в частности рак или гибель клеток, при эквивалентной дозе облучения. Альфа-излучение имеет высокий коэффициент линейного энергопереноса (LET), который составляет примерно одну ионизацию молекулы/атома на каждый ангстрем пробега альфа-частицы. Нормативными актами различных правительств для альфа-излучения установлено значение RBE, равное 20. Для нейтронного облучения RBE установлено равным 10, а для бета-излучения и ионизирующих фотонов – 1. Однако отдача родительского ядра (альфа-отдача) передает ему значительную энергию, которая также вызывает ионизационные повреждения (см. ионизирующее излучение). Эта энергия приблизительно равна массе альфа-частицы (4) деленной на массу родительского ядра (обычно около 200 Да) и умноженной на общую энергию альфа-частицы. По некоторым оценкам, это может объяснять большую часть внутреннего радиационного повреждения, поскольку ядро отдачи является частью атома, значительно превышающего по размеру альфа-частицу, и создает очень плотный след ионизации; атом, как правило, представляет собой тяжелый металл, который избирательно накапливается на хромосомах. В некоторых исследованиях это привело к значениям RBE, приближающимся к 1000, вместо значений, используемых в нормативных документах. Основным естественным источником радиационной дозы для населения является радон – природный радиоактивный газ, содержащийся в почве и горных породах. При вдыхании газа частицы радона могут прикрепляться к внутренней оболочке легких. Эти частицы продолжают распадаться, испуская альфа-частицы, которые могут повреждать клетки легочной ткани. Смерть Мари Кюри в возрасте 66 лет от апластической анемии, вероятно, была вызвана длительным воздействием высоких доз ионизирующего излучения, однако неясно, было ли это вызвано альфа-излучением или рентгеновскими лучами. Кюри много работала с радием, который распадается с образованием радона, а также с другими радиоактивными материалами, испускающими бета- и гамма-лучи. Однако Кюри также работала с незащищенными рентгеновскими трубками во время Первой мировой войны, и анализ ее скелета при перезахоронении показал относительно низкий уровень радиоизотопной нагрузки. Убийство в 2006 году русского перебежчика Александра Литвиненко путем радиационного отравления, предположительно, было совершено с использованием полония-210, альфа-излучателя.