Альфа-распад - Alpha decay


Из Википедии, свободной энциклопедии
Визуальное представление альфа-распада

Альфа - распад или α-распад является одним из видов радиоактивного распада , в котором атомное ядро испускает альфа - частица (ядро гелия) и , таким образом , превращается или «распадается» в другое атомное ядро с массовым числом , которое восстанавливается четыре и атомным количество , которое уменьшается на два. Альфа - частица идентична ядру гелия-4 атома, который состоит из двух протонов и двух нейтронов . Он имеет заряд +2  е и массой ц . Так , например, уран-238 распадается с образованием тория-234 . Альфа - частицы имеют заряд +2  е , но , как ядерное уравнение описывает ядерную реакцию без учета электронов - конвенции , которая не означает , что ядра обязательно происходят в нейтральных атомах - заряд обычно не показан.

Альфа - распад , как правило , происходит в тяжелых нуклидов. Теоретически это может произойти только в ядрах несколько более тяжелых , чем никель (элемент 28), где общая энергия связи на нуклон больше не является минимальной и нуклиды поэтому неустойчивы по отношению к процессам спонтанного деления типа. На практике этот способ распада наблюдался только в нуклидах , значительно более тяжелых , чем никель, с легким известного альфа - излучателями быть самыми легкие изотопы (массовые числа 104-109) из теллура (элемент 52). В исключительных случаях, однако, бериллий-8 распадается на две альфа - частицы.

Альфа - распад на сегодняшний день является наиболее распространенной формой распада кластера , где родительский атом выталкивает определенную дочернюю коллекцию нуклонов, оставив другой определенный продукт позади. Это является наиболее распространенной формой из-за чрезвычайно высокой комбинированной ядерной энергии связи и относительно небольшую массу альфа - частицы. Как и другие кластерные распады, альфа - распад является принципиально квантовое туннелирование процесс. В отличие от бета - распада , она определяется взаимодействием между как ядерные силы и электромагнитные силы .

Альфа - частицы имеют типичную кинетическую энергию 5 МэВ (или ≈ 0,13% от их общей энергии, 110 TJ / кг) и имеют скорость около 15,000,000 м / с, или 5% от скорости света . Существует удивительно небольшое изменение вокруг этой энергии, из - за сильной зависимости от периода полураспада этого процесса на вырабатываемой энергии (см уравнения в законе Гейгера-Неттола ). Из - за их относительно большой массы, электрического заряда +2  х и относительно низкой скорости, альфа - частица, весьма вероятно, взаимодействовать с другими атомами и теряют свою энергию, и их движение вперед может быть остановлено на несколько сантиметров воздуха . Примерно 99% из гелия , полученного на Земле является результатом альфа - распада подземных месторождений полезных ископаемых , содержащих уран или торий . Гелий выносятся на поверхность в качестве побочного продукта природного газа производства.

история

Альфа - частицы были впервые описаны в исследованиях радиоактивности Э. Резерфорд в 1899 году, а к 1907 году они были идентифицированы как он 2+ ионы.

К 1928 году Джордж Гамов решил эту теорию альфа - распада через туннелирования. Альфа - частица захватывается в потенциальную яму ядром. Классический, запрещено бежать, но в соответствии с (тогда) вновь открытыми принципами квантовой механики , он имеет очень маленькую (но не нулевой) вероятность « туннелирование » через барьер и появляется на другой стороне , чтобы избежать ядер , Гамов решил модельный потенциал для ядра и производных, из первых принципов, соотношение между периодом полураспада распада и энергии излучения, которое было ранее обнаружено эмпирически, и был известен как закона Гейгера-Неттола .

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 короткие расстояния, быстро снижается в силе за около 1 femtometre , в то время как электромагнитная сила имеет неограниченный диапазон. Сила притяжения ядерных сил по поддержанию ядра вместе, таким образом , пропорциональна числу нуклонов, но общее подрывная электромагнитная сила пытается разорвать ядро на части приблизительно пропорциональна квадрату его атомный номер. Ядро с 210 или более нуклонов настолько велико , что сильная ядерная сила , удерживающая вместе могут едва уравновешивает электромагнитное отталкивание между протонами , которые он содержит. Альфа - распад происходит в таких ядрах , как средство повышения стабильности путем 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 . Часть ответа исходит из сохранения симметрии волновой функции , которая предотвращает частицу от спонтанно меняется от выставления статистики Бозе-Эйнштейна (если он имел четное число нуклонов) к статистике Ферми-Дирака (если это было нечетное число нуклонов) или наоборот. Одно излучение протонов, или излучение любой частицы с нечетным числом нуклонов будет нарушать этот закон сохранения. Остальная часть ответа происходит от очень высокой энергии альфа - частицы. Вычисление полной энергии распада , заданное уравнение:

Там , где начальная масса ядра, масса ядра после вылета частиц, а масса испускаемой частицы, показывает , что эмиссия альфа - частица обычно будет возможна только с энергией от самого ядра, в то время как другие моды распада будут требует дополнительной энергии. Например, выполняя расчет для урана-232 показывает , что эмиссия альфа - частица будет нужно всего лишь 5,4 МэВ, в то время как один выброс протонов потребует 6,1 МэВ. Большая часть этой энергии распада становится кинетической энергией самого альфа - частицы, хотя для поддержания сохранения импульса части этой энергии становится отдачей самого ядра. Однако, так как массовые числа большинства альфа - излучающие радиоизотопов превышают 210, гораздо больше , чем массовое число альфа - частицы (4) часть энергии , идущую на отдачу ядра , как правило , весьма мала.

Эта энергия распада , однако существенно меньше , чем потенциальный барьер , представленный ядерной сила, которая предотвращает альфа - частицу от побега. Энергия , необходимая , как правило , в диапазоне от примерно 25 МэВ, объем работы , что должно быть сделано против электромагнитного отталкивания , чтобы принести альфа - частицу от бесконечности до точки вблизи ядра только за пределами диапазона влияния ядерных сил в. Альфа - частица может рассматриваться как внутри потенциального барьера, стенки 25 МэВ. Однако распад альфа - частицы имеют только кинетическую энергию 4 МэВ до около 9 МэВ, гораздо меньше , чем энергия , необходимая , чтобы избежать.

Квантовая механика, однако, дает готовое объяснение, через механизм квантового туннелирования. Квантовая теория туннелирования альфа - распад, независимо разработанный Джордж Гамов и Рональд Уилфред Герни и Эдвард Кондон в 1928 год была провозглашена как очень ярким подтверждение квантовой теории. По существу, альфа - частица выходит из ядра путем квантового туннелирования ее выход. Герни и Кондон сделал следующее наблюдение в своей работе на нем:

Она до сих пор была необходима постулировать некоторую специальную произвольную «нестабильности» ядра; но в следующем примечании указывается, что распад является естественным следствием законов квантовой механики без какой-либо специальной гипотезы ... Много было написано о взрывном насилия, с которыми α-частица брошенная от своего места в ядре , Но из процесса на фото выше, можно было бы достаточно сказать, что α-частица почти ускользает незамеченной.

Теория предполагает , что альфа - частица может рассматриваться как независимые частицы внутри ядра , которая находится в постоянном движении, но проходит в ядре с помощью ядерных сил. При каждом столкновении с потенциальным барьером ядерных сил, есть небольшая ненулевая вероятность того, что он будет туннель его выход. Альфа - частица со скоростью 1,5 × 10 7  м / с в ядерном диаметре приблизительно 10 -14  м будет сталкиваться с барьером более 10 21 раз в секунду. Однако, если вероятность выхода при каждом столкновении очень мал, период полураспада радиоактивного изотопа будет очень долго, так как это время , необходимое для полной вероятности выхода достигнет 50%. В качестве крайнего примера, период полураспада изотопа висмута-209 составляет 1,9 × 10 19 лет.

Изотопы в бета-распада стабильных изобар , которые также устойчивы в отношении двойного бета - распада с массовым числом А = 5, A = 8, 143 ≤ ≤ 155, 160 ≤ ≤ 162, а ≥ 165 теоретизировал пройти альфа распад ( «5» распада в гелий-4 и протон или нейтрон , и «8» распад на два гелия-4, период полураспада из них ( гелий-5 , литий-5 и бериллий-8 ) очень Короче говоря, в отличие от периода полураспада для всех других таких нуклидов с A ≤ 209, которые очень долго. Все остальные такие нуклиды с A ≤ 209 являются первичные нуклиды , за исключением А = 146). Однако, только такие нуклиды с А = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, и ≥ 209 были обнаружены , альфа - распад (распад также искали такие нуклиды с А = 145, 149, 182, 183, 184, 192, 204 и 208). Все другие массовые числа ( изобары ) имеют ровно один теоретически стабильный нуклид ).

Разработка деталей теории приводит к уравнению , связывающее период полураспада радиоактивного изотопа энергии распада его альфа - частиц, теоретический вывод эмпирического закона Гейгера-Неттола .

Пользы

Америций-241 , альфа - излучатель , используется в детекторах дыма . Альфа - частицы ионизируют воздух в открытой ионной камере и небольшой ток течет через ионизированный воздух. Частицы дыма от огня , которые входят в камеру уменьшить ток, вызывая тревогу детектора дыма в.

Альфа - распад может обеспечить безопасный источник питания для термоэлектрических генераторов радиоизотопов , используемых для космических зондов и был использованы для искусственных кардиостимуляторов . Распад Альфа гораздо легче защищен от чем других форм радиоактивного распада.

Статические элиминаторы обычно используют полоний-210 , альфа - излучатель, чтобы ионизировать воздух, позволяя «статические цепляется» рассеивать более быстрыми темпами.

токсичность

Высоко заряженный и тяжелые альфа - частицы теряют несколько МэВ энергии в малом объеме материала, а также очень короткий средней длины свободного пробега . Это увеличивает вероятность двунитевых разрывов в ДНК в случаях внутреннего загрязнения, при попадании в организме, при вдыхании, впрыскиваемых или введенных через кожу. В противном случае, касаясь источником альфа , как правило , не является вредным, так как альфа - частица эффективно экранирована на несколько сантиметров воздуха, лист бумаги или тонкого слой мертвых клеток кожи , которые составляют эпидермис ; Однако, многие источники альфа сопровождаются также бета-излучающих радио дочерей, и оба часто сопровождается выделением гамма - фотонов.

RBE относительная биологическая эффективность квантифицирует способность излучения вызывать определенные биологические эффекты, в частности либо раки или клеточную смерть , для эквивалентного облучения. Альфа - излучение обладает высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) коэффициент, который составляет около одной ионизации молекулы / атома для каждого ангстрем поездки на альфа - частицы. ОБЭ был установлен на значении 20 для альфа - излучения различных правительственных постановлений. ОБЭ установлена на уровне 10 для нейтронного облучения, а при 1 для бета - излучения и ионизирующих фотонов.

Однако отдача от родительского ядра (альфа отдачи) дает ему значительное количество энергии, которое также приводит к повреждению ионизации (см ионизирующего излучения ). Эта энергия примерно вес альфа (4  ¯u ) , деленный на вес родителя ( как правило , около 200 раз и) суммарная энергия альфа. По некоторым оценкам, это могло бы объяснить большую часть внутреннего радиационного повреждения, так как 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 собирают на хромосомах . В некоторых исследованиях, это привело к RBE приближается 1000 вместо значения , используемого в правительственных постановлениях.

Самый большой естественный вклад в дозу общественного излучения является радон , встречающийся в природе, радиоактивный газ находится в почве и породе. Если газ вдыхается, некоторые из частиц радона могут прикрепить к внутренней оболочке легкого. Эти частицы продолжают распадаться, испуская альфа - частицы, которые могут повредить клетки в легочной ткани. Смерть Мари Кюри в возрасте 66 лет из апластической анемии , вероятно , вызвано длительным воздействием высоких доз ионизирующей радиации, но это не ясно , если это было связано с альфа - излучения или рентгеновских лучей. Кюри работали с радием, который распадается на радон, наряду с другими радиоактивными материалами , которые испускают бета и гамма - лучи . Тем не менее, кюри также работал с незащищенными рентгеновскими трубками во время Первой мировой войны, а также анализом ее скелета во время перезахоронения показал относительно низкого уровня радиоизотопов нагрузки.

России диссидента Александра Литвиненко «с 2006 убийство радиационного отравления , как полагают, были проведены с полонием-210 , альфа - излучатель.

Рекомендации

Заметки

внешняя ссылка