Альфа-частинка

Найпоширеніше штучне джерело альфа-частинок — нестабільні важкі ізотопи, що розпадаються через альфа-канал. Альфа-розпад відбувається за рахунок двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і сильної. За рахунок кулонівських сил альфа-частинка відштовхується від ядра, і, за відсутності інших чинників, залишила б його за час близько 10⁻²³ секунди[1], але сильна взаємодія, навпаки, притягає її до ядра, причому зі значно більшою силою. Втім, сильна взаємодія має дуже обмежений радіус, тому якщо альфа-частинка опиниться на деякій відстані від ядра, то вона залишає його й розганяється кулонівськими силами до великої швидкості. Оскільки у квантовій механіці положення частинки є невизначеним, вона має деяку ймовірність тунелювати через потенційний бар'єр. Ця ймовірність залежить від висоти цього бар'єру, яка зменшується з ростом заряду ядра. Це пов'язано з тим, що далекодійні електромагнітні сили, відштовхують частинку від кожного протону ядра, тоді як близькодійні ядерні сили притягують її лише до найближчих нуклонів.[2] Через це, альфа-розпад є більш характерним для важких ядер.

При альфа-розпаді виділяється енергія

${\displaystyle Q=[M_{a}-M_{a-4}-M_{\alpha }]c^{2}}$

Де M — маси початкового ядра, ядра, з кількістю протонів і нейтронів меншою на 2, і ядра альфа-частинки відповідно. Якщо Q > 0, то реакція стає енергетично вигідною, а отже альфа-частинка має шанс подолати потенційний бар'єр, і вийти з ядра.[3] Найлегший ізотоп, для якого альфа-розпад спостерігається з немізерною ймовірністю це телур-106.[4]. Легкі ізотопи, наприклад, берилій-8, також утворюють альфа-частинки при розпаді, проте розпад таких ядер часто не відносять до альфа-розпадів, але до поділу складних ядер.[5] Кінетична енергія альфа-частинок варіюється від 1.83 Мев(¹⁴⁴Nd) до 11,65 Мев(ізомер ^212mPo)[3]

Загалом відомо близько 300 ізотопів, у яких спостерігається альфа-розпад.[3] Найбільш практично важливими можна назвати:

• Торій-228, 229, 230, 232,
• Уран-232, 233, 234, 235, 236, 238,
• Плутоній-238, 239, 240, 241, 242,
• Кюрій-242, 243, 244, 245, 246,
• Каліфорній 249, 250, 251, 252,
• Гадоліній-148 і 150,
• Америцій-241 і 243,
• Полоній-210,
• Самарій-146,
• Берклій-247,
• Радій-226,
• Актиний-227,
• Протактиній-231,
• Нептуній-237[6]

Рідкісна форма поділу ядра, як спровокованого тепловим нейтроном[7] так і спонтанного[8]. У кількох випадках на тисячу, ядро важкого елементу може розпастися на три (або більше) частини.[9] В таких реакціях, в більшості випадків одним з продуктів розпаду є альфа-частинка.

Кінетична енергія альфа-частинок, що виділяються при потрійному розпаді, значно вища за енергію продуктів альфа-розпаду, і в середньому складає 16 мЕв.[10]

Трохи менше за 10 % від усіх космічних променів складають альфа-частинки[11]. Природа виникнення космічних променів досі не є достатньо вивченою.

Після відкриття 1896 року Антуаном Беккерелем радіоактивності, а 1898 року П'єром і Марією Кюрі радію, фізики отримали потужні джерела радіоактивного випромінювання, що дало поштовх для подальших досліджень.

У 1899 і 1900 роках, паралельно Ернест Резерфорд, працюючи у Монреалі, і Поль Віллар у Парижі, розділили усі джерела радіоактивного випромінювання на три типи залежно від дії на частинки магнітного поля, а також проникної здатності[14]. Альфа-променями Резерфорд назвав частинки з найменшою проникною здатністю і позитивним зарядом (два інші типи отримали назву бета- і гамма-випромінвання). Також він підрахував відношення маси альфа-частинки до її заряду, і, виходячи з цих даних, припустив, що частинка є двічі іонізованим атомом гелію. У 1908 році, Резерфорд підтвердив це припущення, показавши, що альфа-випромінювання супроводжується появою атомів гелію. Для цього радіоактивне джерело було розміщено в скляній ампулі з дуже тонкими стінками, що пропускали альфа-частинки. Ця ампула була поміщена в іншу, з товщими стінками. Через деякий час після початку експерименту, за допомогою спектроскопії було показано, що у зовнішній ампулі накопичився гелій.[15]

розсіювання альфа-частинок на металевій фользі

У 1911, продовжуючи досліджувати альфа-частинки, Резерфорд разом з Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом провели свій славнозвісний експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги. У цьому експерименті золота фольга, товщиною менше мікрону (за такої товщини, у фользі було лише кілька сотень шарів атомів) обстрілювалася альфа-частинками, що вилітали з радієвого джерела, а після проходження через фольгу замірялися кути, на які альфа-частинки розсіювалися. Під час цього експерименту було відкрито, що, хоча зазвичай при прольоті через тонкий шар речовини, альфа-частинка лише відхиляється на невеликий кут, проте зрідка (приблизно в одному випадку на 8000) відбивається назад. Ці експерименти врешті-решт призвели до відкриття сучасних уявлень про будову атому: масивне й невелике атомне ядро в центрі атому, і електрони на великій відстані навколо нього. До цих експериментів найбільш поширеним уявленням про будову атому була модель Томпсона, або пудингова модель — позитивно заряджений атом, в якому, немов родзинки в кексі, сидять електрони. Але ця модель ніяк не могла пояснити поведінку альфа-частинок: легкий електрон не міг відбити важку альфа-частинку, а ніяких інших структурних елементів ця модель не передбачала.[16]

Трансмутація елементів під час радіоактивного розпаду була відома ще з 1901 року, але 1917 року Резерфорд відкрив й інший тип перетворень. Випускаючи альфа-частинки в повітря він помітив, що це призводить до виникнення іонів водню. Пізніше було показано, що причиною цього є реакція альфа-частинок з азотом, що породжувала нестабільний ізотоп оксигену і протон:

¹⁴N + α → ¹⁷O + p

Це було першою відкритою ядерною реакцією.[17]

Існують перспективи використання альфа-частинок для лікування ракових пухлин. За даними досліджень, для руйнування ракової клітини достатньо трьох влучань у неї альфа-частинки, тоді як при використанні бета-променів потрібно кілька тисяч влучань. Крім того, низька проникна здатність альфа-частинок дозволяє використовувати їх більш точково.[18]

Іншим медичним застосуванням альфа-частинок є радонові ванни — за деякими даними, купання у насиченій радоном воді, або приймання її внутрішньо, може бути корисною для здоров'я. Однак, використання таких процедур може бути спряженим з радіаційною небезпекою через те, що при них шкіра і легені опромінюються сильніше, ніж інші органи, що може підвищувати ризик розвитку пухлин в них.[19]

Також альфа-частинки, завдяки своїм іонізуючим властивостям, використовуються в іонізаторах. Конструктивним елементом ізотопного іонізатора може виступати джерело альфа-випромінювання. Альфа-частинки, що виділяються ним, активно іонізують повітря, після чого позитивні і негативні іони розділяються електричним полем.[20] Іонізоване повітря використовується для аеройонотерапії.

Ізотопи, що випромінюють альфа-частинки, широко використовуються в радіонуклідних батареях. Їхніми перевагами в цій якості є висока енергетичність альфа-частинок (наприклад, питома потужність полонія-210 становить 1200 ват на кубічний сантиметр), а також низька їх проникна здатність, через що знімати енергію можна на невеликій ділянці простору. Радіоізотопні джерела енергії активно використовуються в умовах відсутності доступу до зовнішніх джерел енергії, в першу чергу, в космічних апаратах.[6]

В іонізаційних детекторах диму є невелика кількість (менше мікрограму)[21] радіоактивної речовини (зазвичай, амеріцію у детекторах, що випускалися в США або плутонію, у виготовлених в СРСР). Альфа-частинки, що їх випромінює джерело, іонізують повітря у спеціальній камері детектору, завдяки чому, якщо вмістити в цю камеру два електроди, між ними починає текти струм. Коли частинки диму потрапляють до детектора, вони притягують вільні іони до себе, через що струм зменшується, що й реєструється приладом. Такі детектори є дешевшими за більш сучасні фотоелектричні, проте мають більші шанси на помилкові тривоги, а також, несуть радіаційні ризики в разі неправильної утилізації[22].

При обстрілюванні берилію-9 року льфа-частинками відбувається реакція

${\displaystyle He_{2}^{4}+Be_{4}^{9}\rightarrow C_{6}^{12}+n_{0}^{1}+5,5{\mbox{ Mev}}}$

Альфа-частинки для цієї реакції отримують при розпаді радію або плутонію. Такі джерела є порівняно недорогими і простими у використанні. Один грам радію дає вихід у 10⁷ нейтронів за секунду, тобто приблизно один нейтрон на 3000 випущених альфа-частинок.

Недоліком таких джерел є широкий енергетичний спектр нейтронів на виході, а також гамма-кванти, що також утворюються при цій реакції.[23]

Пружним розсіянням називається ситуація, при якій сумарна кінетична енергія після зіткнення не змінюється, а лише відбувається перерозподіл енергії й імпульсу між частинками.

Альфа-частинки практично не розсіюються на електронах через велику масу (максимальне відхилення альфа-частинок при розсіянні на електроні становить тридцять кутових секунд), а розсіяння на ядрі описується формулою Резерфорда:

${\displaystyle \sigma (\theta )={\frac {1}{4}}Nnd\left({\frac {zZe^{2}}{mv^{2}}}\right)^{2}{\frac {1}{sin^{4}\theta /2}}}$

де N — кількість частинок, що падають на одиницю площі мішені за 1 секунду; n — об'ємна концентрація ядер; d — товщина мішені; Z — заряд ядра-розсіювача; z, m і v — заряд, маса и швидкість частинки. Ця формула побудована з урахуванням лише кулонівських сил, і тому не враховує різноманітні квантові ефекти.[24] Квантові ефекти враховано у формулі Мотта.

Крива Брега для частинок з енергією 5,49 МеВ

В результаті такого розсіяння електрон вибивається з атома, який, відповідно, іонізується, а сама альфа-частинка втрачає деяку частину своєї енергії. Через заряд +2, велику масу і запаси кінетичної енергії, під час пробігу, альфа-частинка дуже активно іонізує атоми на своєму шляху, (декілька тисяч пар іонів на мікрон пробігу у біологічних тканинах[25], загальна кількість атомів, іонізованих однією частинкою може досягати двохсот п'ятдесяти тисяч). Іонізація спричиняє велику кількість небезпечних хімічних реакцій (утворення вільних радикалів і т. ін.), тому для альфа-випромінювання відносна біологічна ефективність приймається рівною десяти (на цій шкалі за одиницю приймається біологічний ефект, створюваний електронами й гамма-випромінюванням).

Інтенсивність іонізації, створюваної альфа-частинкою, нелінійно залежить від її енергії. Цю залежність демонструє крива Бреґґа. З неї видно, що найбільш інтенсивно альфа-частинка втрачає енергію незадовго до зупинки.[24]

У цьому випадку в альфа-частинки вистачає енергії для того, щоб перескочити через кулонівський бар'єр, і злитися з ядром. Після цього, зазвичай, утворюється проміжне нестабільне ядро, що невдовзі розпадається, виділяючи нейтрони, гамма-кванти або заряджені частинки.[26]