Rozpad alfa - Alpha decay


Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Wizualna reprezentacja rozpadu alfa

Rozpad alfa lub α-rozpad jest typ rozpadu promieniotwórczego , w którym jądro atomowe emituje cząstki alfa (hel jądra) i w ten sposób przekształca lub „rozkłada” do innego jądra atomowego, o liczbie masowej , który jest redukowany przez cztery i AN atomowy Numer że zmniejsza się przez dwa. Cząstka a jest identyczny z pierścieniem z helem 4 atomem, który składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów . Ma ładunek +2  E i masę u . Na przykład, uran-238 rozpada się, tworząc tor-234 . Cząstki alfa mają ładunek +2  e , ale opisuje równanie jądrowego reakcji jądrowej, bez uwzględnienia elektronów - konwencji, który nie oznacza, że zarodki muszą występować w obojętnych atomów - wsad zwykle nie jest pokazane.

Rozpad alfa zazwyczaj występuje w najcięższych nuklidów. Teoretycznie może występować tylko w jądrach nieco cięższe niż nikiel (składnik 28), przy czym ogólna energia wiązania na nukleon nie jest minimalna i nuklidy dlatego są niestabilne wobec spontanicznego rozszczepienia typu procesów. W praktyce, ten tryb rozpadu dopiero zaobserwowano nuklidów znacznie cięższe niż nikiel, przy najlżejszej znanych emiterów alfa jest najlżejsze izotopów (liczby masowe 106-110) od tellur (składnik 52). W wyjątkowych przypadkach, jednakże, beryl-8 rozkłada się na dwie cząstki alfa.

Rozpad alfa jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechnioną formą próchnicy klastra , gdzie rodzic atom wyrzuca określony córkę kolekcję nukleonów, pozostawiając inny określony produkt tyłu. Jest to najbardziej powszechna forma powodu połączonego bardzo wysoką energię wiązania i stosunkowo małą masę cząstki alfa. Podobnie jak inne rozpadów klastra rozpad alfa jest zasadniczo tunelowany kwantowo procesu. W przeciwieństwie do rozpadu beta , jest regulowane przez wzajemne oddziaływanie zarówno siły jądrowej i siły elektromagnetycznej .

Cząstki alfa mają typową energię kinetyczną 5 MeV (lub ≈ 0,13% swojej energii całkowitej, 110 TJ / kg) i ma prędkość wynoszącą około 15,000,000 m / s, lub 5% prędkości światła . Jest zaskakująco mała zmienność wokół tej energii, ze względu na silne uzależnienie od okresu półtrwania tego procesu na wyprodukowanej energii (patrz równania w prawo Geigera-Nuttall ). Ze względu na stosunkowo dużą masę, ładunek elektryczny + 2  e i stosunkowo małą prędkość cząstki alfa są bardzo prawdopodobnie oddziałują z innymi atomami i traci swoją energię, a ich ruch do przodu może być zatrzymany przez kilka centymetrów powietrza . Około 99% helu, wykonanego na Ziemi jest wynikiem zaniku alfa złóż podziemnych minerały zawierające uran lub toru . Hel znajduje się na powierzchnię jako produkt uboczny naturalnego gazu produkcji.

Historia

Cząstki alfa zostały po raz pierwszy opisane w badaniach radioaktywności przez Ernest Rutherford w 1899 i 1907 roku zostały one określone jako on 2+ jonów.

Przez 1928, George Gamow rozwiązał teorię rozpadu alfa poprzez tunelowanie. Cząstka a jest uwięziony w studni potencjału przez jądro. Klasycznie, zabrania się uniknąć, ale w zależności od (następnie) nowo odkrytych zasad mechaniki kwantowej , ma małe (ale nie zerowe), prawdopodobieństwo „ tuneli ” przez przegrody i umieszczonym z drugiej strony, aby uniknąć jądro , Gamow rozwiązane potencjał modelu do jądra i pochodzi z pierwszej zasady, zależność między okresem półtrwania zaniku i energii emisji, które zostało wykryte wcześniej doświadczalnie i znany jako prawie Geigera-Nuttall .

Mechanizm

Siły jądrowe posiadających jądro atomowe sobą bardzo silne na ogół znacznie silniejsze niż odpychające siły elektromagnetyczne między protonami. Jednakże siła jądrowa jest również krótki zasięg, szybko spada w siłę poza o 1 femtometr , natomiast siła elektromagnetyczna ma nieograniczony zasięg. Siła siła przyciągania jądrowego utrzymując jądro razem jest więc proporcjonalna do liczby nukleony, ale całkowita uciążliwy siła elektromagnetyczna próbując rozbić jądro od siebie jest w przybliżeniu proporcjonalna do kwadratu jego liczby atomowej. Jądro z 210 lub więcej nukleony jest tak duża, że duża siła jądrowego trzyma razem mogą tylko z trudem równoważyć odpychania elektromagnetycznego między protonami zawiera. Rozpad alfa występuje w takich jąder jako sposób zwiększania stabilności przez zmniejszenie wielkości.

Jeden ciekawość dlatego cząstki alfa, jądra helu, powinny być korzystnie emitowane w przeciwieństwie do innych cząsteczek jak jeden proton lub neutronów lub innych jąder atomowych . Część odpowiedzi wynika z zachowania funkcji falowej symetrii , która zapobiega cząstkę z spontanicznie zmianie z wykazując Statystyka Bosego-Einsteina (gdyby miał parzystą liczbę nukleonów) do Statystyka Fermiego-Diraca (gdyby miał nieparzystą liczbę nukleonów) lub odwrotnie. Pojedyncza emisja protonu lub emisja każdej cząstki z nieparzystej liczby nukleonów naruszałoby to prawo zachowania. Reszta odpowiedź pochodzi z bardzo wysoką energię wiązania cząstki alfa. Obliczanie całkowitej energii rozpadu dany równaniem:

W przypadku, gdy jest to początkowa masa jądra masa jądra po emisji cząstek stałych, a masa emitowanej cząstki, pokazuje, że emisja cząstek alfa zwykle możliwe tylko z energii z samego jądra, natomiast inne środki rozpadu zostanie wymagają dodatkowej energii. Na przykład, wykonywanie obliczeń dla uranu-232 wskazuje, że emisja cząstek alfa należałoby tylko 5,4 MeV, podczas emisji pojedynczego protonu wymagałoby 6,1 MeV. Większość tej energii rozpadu staje się energię kinetyczną tego samego cząstki alfa, aczkolwiek w celu utrzymania pędu część tej energii staje się odrzut samego jądra. Jednak, ponieważ liczba masy większości radioizotopów emitujących promieniowanie alfa może przekraczać 210 mm, znacznie większą niż liczba masowa cząsteczki alfa (4) część energii będzie w odrzutu jądra jest zwykle niewielka.

Energie rozpadu są jednak znacznie mniejsze niż barierę potencjału dostarczonych przez siły jądrowe, które zapobiega wydostawaniu się cząstki alfa. Energia potrzebna jest zwykle w zakresie od około 25 MeV, ilość pracy, które muszą być wykonane na odpychania elektromagnetycznego wnieść cząstki alfa od nieskończoności do punktu w pobliżu pierścienia tuż zakresie wpływ na siłę jądrowego. Cząstka a można uważać za wewnątrz barierę potencjału, której ściany są 25 MeV. Jednakże, rozkład cząstek alfa tylko kinetycznej 4 MeV do około 9 MeV, dużo mniejszej niż energia potrzebna do ucieczki.

Mechanika kwantowa przewiduje jednak gotowe wyjaśnienie, za pośrednictwem mechanizmu tunelowania kwantowego. Tunelowania kwantowego teoria rozpadu alfa, opracowane niezależnie przez George'a Gamowa i Ronald Wilfred Gurney i Edward Condon w 1928 roku została uznana za bardzo uderzające potwierdzenie teorii kwantowej. Zasadniczo, cząstki alfa ucieka z jądra przez zjawisko tunelowe jego wyjścia. Gurney i Condon dokonał następującego stwierdzenia w swojej pracy na nim:

To było dotychczas konieczne postulować jakiś specjalny arbitralne „niestabilność” jądra; ale w kolejnych pamiętać należy podkreślić, że dezintegracja jest naturalną konsekwencją praw mechaniki kwantowej bez specjalnego hipotezy ... Wiele już napisano o przemocy wybuchowego, z którym α-cząstek hurled z jego miejsca w jądrze , Ale z procesu na zdjęciu powyżej, należałoby raczej powiedzieć, że α-cząstka prawie wymyka się niepostrzeżenie.

Teorii zakłada, że cząstki alfa może być traktowany jako niezależne cząsteczki w pierścieniu, która jest w ciągłym ruchu, ale znajdują się w jądrze komórkowym przez siły jądrowe. Na każdym zderzeniu z barierę potencjału siły jądrowej, istnieje małe prawdopodobieństwo niezerowe, że będzie tunel jego wyjście. Cząstka a przy szybkości 1,5 x 10 7  m / s w średnicy jądrowego około 10 -14  m będą zderzać się z barierę więcej niż 10 21 razy na sekundę. Jednakże, jeśli prawdopodobieństwo ucieczki w każdej kolizji jest bardzo mała, okres półtrwania izotopu promieniotwórczego będzie bardzo długo, ponieważ jest to czas potrzebny do całkowitego prawdopodobieństwa ucieczki aby osiągnąć 50%. Jako skrajny przykład, okres półtrwania izotopu bizmutu-209 wynosi 1,9 x 10 19 lat.

Izotopy w beta rozpadu stałych izobar , które są także trwałe w odniesieniu do podwójnego rozpadu beta o liczbie masowej A = 5, A = 8, 143 ≤ ≤ 155, 160 ≤ ≤ 162 i ≥ 165 są teoretycznie poddawane alfa rozpad ( „5” rozpad hel-4 oraz proton lub neutronów i „8” gnicia na dwa hel-4, półtrwania nich ( helowo-5 , litowo-5 i beryl-8 ) są bardzo krótko mówiąc, w odróżnieniu od okresu półtrwania dla wszystkich innych takich nuklidów o A ≤ 209, które są bardzo długie. Wszystkie inne takie nuklidy o A ≤ 209 są pierwotne nuklidy wyjątkiem A = 146). Jednakże, tylko te nuklidy z A = 5, 8, 144, 146, 147, 148, 151, 186, oraz co najmniej 209, zaobserwowano (rozpad również przeszukiwane takich izotopów z A = 145, 149, 182, 183 , 184, 192, 204, 208). Wszystkie inne liczby masowe ( izobar ) ma dokładnie jedno teoretycznie trwały nuklid , z wyjątkiem ewentualnego spontanicznego rozszczepienia dla A ≥ 93, która nigdy nie była obserwowana i ewentualnego rozpadu protonu , który również nie zaobserwowano)

Dopracowanie teorii prowadzi do równania dotyczącego okresu półtrwania izotopu promieniotwórczego do energii zaniku jego cząstek alfa, teoretycznego wyprowadzenia empirycznego prawa Geigera-Nuttall .

zastosowania

Ameryk-241 An a emiter jest stosowany w detektory dymu . Cząstki alfa jonizacji powietrza w otwartej komorze jonizacyjnej i mały prąd przepływa przez zjonizowanego powietrza. Cząstek dymu z ognia, które wchodzą do komory zmniejszenia prądu, powodując alarm, czujnik dymu jest.

Rozpad alfa może zapewnić bezpieczne źródło zasilania radioizotopowe generatory termoelektryczne wykorzystywane do sond kosmicznych i były wykorzystywane do sztucznych rozruszników serca . Rozpad alfa jest znacznie łatwiej niż zabezpieczone przed innymi formami rozpadu promieniotwórczego.

Statyczne eliminatory zazwyczaj wykorzystują polon-210 , alfa nadawczego do jonizacji powietrza, pozwalając statycznymi przylgnąć "szybciej odprowadzić.

Toksyczność

Wysoko naładowana i ciężkie cząstki alfa tracą kilku MeV energii w małej objętości materiału wzdłuż krótkiego średniego toru swobodnego . Zwiększa to szansę przerw dwuniciowego do DNA w przypadku zanieczyszczenia wewnętrznych po doustnym, przez inhalację, wtryskiwanego lub wprowadzony przez skórę. W przeciwnym razie, dotykając źródło alfa zazwyczaj nie jest szkodliwe, ponieważ cząstki alfa skutecznie chroniony przez kilka centymetrów powietrza, kawałek papieru lub cienkiej warstwy martwych komórek skóry, które tworzą naskórek ; Jednak wiele źródeł alfa towarzyszy również beta-emitującego córki radiowych, i oba są często towarzyszy emisja promieniowania gamma fotonów.

RBE względna skuteczność biologiczna ilościowo zdolność promieniowania powodować pewne efekty biologiczne, w szczególności bądź na raka lub komórek śmierć , dla równoważnych ekspozycji na promieniowanie. Promieniowanie alfa wykazuje wysoką liniowym przenoszeniu energii (LET) współczynnik, który wynosi około jonizacji cząsteczki / atomu dla każdego angstremów podróży przez cząstki alfa. RBE został ustawiony na wartość 20 dla promieniowania alfa różnymi regulacjami rządowymi. RBE jest ustawiona na 10 do neutronów naświetlania i od 1 dla promieniowania beta i fotonów jonizującego.

Jednakże, odrzut macierzystego jądra (alfa odrzutu) daje znaczne ilości energii, co powoduje uszkodzenie jonizacyjnego (patrz promieniowanie jonizujące ). Energia jest w przybliżeniu ciężar alfa (4  u ) podzielona przez masę związku macierzystego (zazwyczaj około 200 U) razy całkowita energia alfa. Według niektórych szacunków, może to stanowić większą część wewnętrznej uszkodzenie radiacyjne, ponieważ jądro odrzutu jest częścią atomem, który jest znacznie większy niż cząstki alfa i powoduje bardzo zwartą szlak jonizacji; atom jest zwykle metale ciężkie , które preferencyjnie zbierać na chromosomach . W niektórych badaniach, co spowodowało RBE zbliża 1000 zamiast wartości użytej w przepisach rządowych.

Największym naturalnym czynnikiem przyczyniającym się do dawki promieniowania publicznego jest radon , naturalnie występującym, radioaktywny gaz znajdują się w glebie i skale. Jeżeli gaz jest wdychany, niektóre z cząstek radon mogą dołączyć się do wewnętrznej wyściółki płuc. Cząstki te dalej rozkładać, emitujące cząstki alfa, które mogą doprowadzić do uszkodzenia komórek w tkance płuc. Śmierć Marie-Curie w wieku 66 lat z anemią aplastyczną prawdopodobnie spowodowane przedłużoną ekspozycją na wysokie dawki promieniowania jonizującego, ale nie jest jasne, czy to ze względu na promieniowanie alfa lub promieni rentgenowskich. Curie pracował z radu, który rozpada się radonu, wraz z innymi materiałami promieniotwórczymi emitującymi beta i gamma . Jednak Curie pracowała również z nieosłoniętych lamp rentgenowskich podczas I wojny światowej, oraz analiza jej szkieletu podczas pogrzebu wykazała stosunkowo niski poziom obciążeń radioizotopu.

Rosyjski dysydent Aleksander Litwinienko „s 2006 morderstwo przez chorobę popromienną Uważa się, że zostały przeprowadzone z polonu-210 , alfa emiter.

Referencje

Uwagi

Linki zewnętrzne