Rozpad alfa - Alpha decay

Wizualna reprezentacja rozpadu alfa

Rozpad alfa lub alfa to rodzaj rozpadu radioaktywnego, w którym jądro atomowe emituje cząstkę alfa (jądro helu) i w ten sposób przekształca się lub „rozpada” w inne jądro atomowe o liczbie masowej zmniejszonej o cztery i atomowej liczba zmniejszona o dwa. Cząstka alfa jest identyczna z jądrem atomu helu-4 , który składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów . Ma ładunek2e i masagodz . Na przykład uran-238 rozpada się na tor-234 . Cząstki alfa mają ładunek +2  e , ale ponieważ równanie jądrowe opisuje reakcję jądrową bez uwzględnienia elektronów – konwencja, która nie implikuje, że jądra koniecznie występują w obojętnych atomach – ładunek zwykle nie jest pokazywany. Rozpad alfa zwykle występuje w najcięższych nuklidach. Teoretycznie może wystąpić tylko w jądrach nieco cięższych niż nikiel (pierwiastek 28), gdzie całkowita energia wiązania na nukleon nie jest już maksymalna, a zatem nuklidy są niestabilne wobec procesów samorzutnego rozszczepienia. W praktyce ten sposób rozpadu zaobserwowano tylko w nuklidach znacznie cięższych niż nikiel, przy czym najlżejsze znane emitery alfa to najlżejsze izotopy (liczby masowe 104–109) telluru (pierwiastek 52). Wyjątkowo jednak beryl-8 rozpada się na dwie cząstki alfa. Rozpad alfa jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechnioną formą próchnicy klastra , gdzie rodzic atom wyrzuca określony córkę kolekcję nukleonów, pozostawiając inny zdefiniowany tyłek produktu. Jest to najbardziej powszechna forma ze względu na połączoną niezwykle wysoką energię wiązania jądra i stosunkowo małą masę cząstki alfa. Podobnie jak inne rozpady klastrów, rozpad alfa jest zasadniczo procesem tunelowania kwantowego . W przeciwieństwie do rozpadu beta , rządzi nim wzajemne oddziaływanie zarówno silnej siły jądrowej, jak i elektromagnetycznej . Cząstki alfa mają typową energię kinetyczną 5 MeV (lub ≈ 0,13% ich całkowitej energii, 110 TJ/kg) i mają prędkość około 15 000 000 m/s, czyli 5% prędkości światła . Istnieje zaskakująco mała zmienność wokół tej energii, ze względu na silną zależność okresu półtrwania tego procesu od wytworzonej energii. Ze względu na ich stosunkowo dużą masę, ładunek elektryczny+2  e i stosunkowo niska prędkość, cząstki alfa z dużym prawdopodobieństwem wchodzą w interakcje z innymi atomami i tracą energię, a ich ruch do przodu może zostać zatrzymany przez kilka centymetrów powietrza . Około 99% helu produkowanego na Ziemi jest wynikiem rozpadu alfa podziemnych złóż minerałów zawierających uran lub tor . Hel wydobywany jest na powierzchnię jako produkt uboczny produkcji gazu ziemnego .

Historia

Cząstki alfa zostały po raz pierwszy opisane w badaniach radioaktywności przez Ernesta Rutherforda w 1899 roku, a do 1907 roku zostały zidentyfikowane jako jony He 2+ . W 1928 roku George Gamow rozwiązał teorię rozpadu alfa poprzez tunelowanie. Cząstka alfa jest uwięziona wewnątrz jądra przez przyciągającą jądrową studnię potencjału i odpychającą barierę potencjału elektromagnetycznego . Klasycznie, ucieczka jest zabroniona, ale zgodnie z (wtedy) nowo odkrytymi zasadami mechaniki kwantowej , ma ona znikome (ale niezerowe) prawdopodobieństwo „ przebicia się ” przez barierę i pojawienia się po drugiej stronie, aby uciec z jądra. . Gamow rozwiązał modelowy potencjał jądra i wyprowadził, z pierwszych zasad, związek między okresem połowicznego rozpadu a energią emisji, który został wcześniej odkryty empirycznie i znany jako prawo Geigera-Nuttalla .

Mechanizm

Siła jądrowa utrzymująca razem jądro atomowe jest bardzo silna, na ogół znacznie silniejsza niż odpychające siły elektromagnetyczne między protonami. Jednak siła jądrowa ma również krótki zasięg, szybko spadając w siłę powyżej około 1 femtometra , podczas gdy siła elektromagnetyczna ma nieograniczony zasięg. Siła przyciągającej siły jądrowej utrzymującej jądro razem jest zatem proporcjonalna do liczby nukleonów, ale całkowita zakłócająca siła elektromagnetyczna próbująca rozerwać jądro jest w przybliżeniu proporcjonalna do kwadratu jego liczby atomowej. Jądro zawierające 210 lub więcej nukleonów jest tak duże, że utrzymujące je razem silne siły jądrowe mogą ledwie zrównoważyć odpychanie elektromagnetyczne między zawartymi w nim protonami. Rozpad alfa występuje w takich jądrach jako sposób na zwiększenie stabilności poprzez zmniejszenie rozmiaru.

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 . Jednym z powodów jest wysoka energia wiązania cząstki alfa, co oznacza, że ​​jej masa jest mniejsza niż suma mas dwóch protonów i dwóch neutronów. To zwiększa energię rozpadu. Obliczanie całkowitej energii rozpadu podanej przez równanie

gdzie m i jest początkową masą jądra, m f jest masą jądra po emisji cząstki, a m p jest masą emitowanej cząstki, okazuje się, że w niektórych przypadkach jest ona dodatnia, a więc możliwa jest emisja cząstki alfa , podczas gdy inne tryby rozpadu wymagałyby dodania energii. Na przykład wykonanie obliczeń dla uranu-232 pokazuje, że emisja cząstek alfa daje energię o energii 5,4 MeV, podczas gdy emisja pojedynczego protonu wymagałaby 6,1 MeV. Większość energii rozpadu staje się energią kinetyczną samej cząstki alfa, chociaż dla zachowania zachowania pędu część energii trafia na odrzut samego jądra (patrz Odrzut atomowy ). Jednakże, ponieważ liczby masowe większości radioizotopów emitujących promieniowanie alfa przekraczają 210, znacznie więcej niż liczba masowa cząstki alfa (4), ułamek energii trafiający do odrzutu jądra jest na ogół dość mały, mniej niż 2%, jednak energia odrzutu (w skali keV) jest nadal znacznie większa niż siła wiązań chemicznych (w skali eV), więc nuklid potomny oderwie się od środowiska chemicznego, w którym znajdował się rodzic. Energie i stosunki cząstki alfa mogą być wykorzystane do identyfikacji radioaktywnego rodzica za pomocą spektrometrii alfa .

Te energie rozpadu są jednak znacznie mniejsze niż odpychająca bariera potencjału wytworzona przez siłę elektromagnetyczną, która uniemożliwia ucieczkę cząstki alfa. Energia potrzebna do przeniesienia cząstki alfa z nieskończoności do punktu w pobliżu jądra, tuż poza zasięgiem oddziaływania siły jądrowej, mieści się zazwyczaj w zakresie około 25 MeV. Cząstkę alfa można uważać za znajdującą się wewnątrz bariery potencjału, której ściany są o 25 MeV powyżej potencjału w nieskończoności. Jednak rozpadające się cząstki alfa mają energię tylko od około 4 do 9 MeV powyżej potencjału w nieskończoności, znacznie mniej niż energia potrzebna do ucieczki.

Mechanika kwantowa pozwala jednak cząstce alfa na ucieczkę poprzez tunelowanie kwantowe. Teoria tunelowania kwantowego rozpadu alfa, niezależnie opracowana przez George'a Gamowa, Ronalda Wilfreda Gurneya i Edwarda Condona w 1928 roku, została okrzyknięta bardzo uderzającym potwierdzeniem teorii kwantowej. Zasadniczo, cząsteczka alfa ucieka z jądra nie poprzez pozyskiwanie energii wystarczającej do przejścia przez ścianę ograniczającą ją, ale przez tunelowanie przez ścianę. Gurney i Condon dokonali następującej obserwacji w swoim artykule na ten temat:

Do tej pory konieczne było postulowanie jakiejś szczególnej arbitralnej „niestabilności” jądra, ale w poniższej notatce wskazano, że rozpad jest naturalną konsekwencją praw mechaniki kwantowej bez żadnej specjalnej hipotezy… Wiele napisano wybuchowej gwałtowności, z jaką cząstka α jest wyrzucana z jej miejsca w jądrze. Ale z procesu przedstawionego powyżej można by raczej powiedzieć, że cząstka α prawie niezauważona.

Teoria zakłada, że ​​cząstkę alfa można uznać za niezależną cząstkę w jądrze, która jest w ciągłym ruchu, ale utrzymywana w jądrze przez silne oddziaływanie. Przy każdym zderzeniu z odpychającą barierą potencjału siły elektromagnetycznej istnieje małe niezerowe prawdopodobieństwo, że wybije się ona tunelem. Cząstka alfa o prędkości 1,5×10 7  m/s w obrębie jądra o średnicy około 10-14  m zderzy się z barierą ponad 1021 razy na sekundę. Jeśli jednak prawdopodobieństwo ucieczki przy każdej kolizji jest bardzo małe, okres połowicznego rozpadu radioizotopu będzie bardzo długi, ponieważ jest to czas wymagany, aby całkowite prawdopodobieństwo ucieczki osiągnęło 50%. Jako skrajny przykład, okres półtrwania izotopu bizmutu-209 wynosi2,01 × 10 19  lat .

Izotopy w izobarach stabilnych pod względem rozpadu beta, które są również stabilne w odniesieniu do podwójnego rozpadu beta o liczbie masowej A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  ≤ 162 i A  ≥ 165 są teoretycznie podlegać alfa rozkład. Wszystkie inne liczby masowe ( izobary ) mają dokładnie jeden teoretycznie stabilny nuklid ). Te o masie 5 rozpadają się na hel-4 i proton lub neutron , a te o masie 8 na dwa jądra helu-4; ich okresy półtrwania ( hel-5 , lit-5 i beryl-8 ) są bardzo krótkie, w przeciwieństwie do okresów półtrwania dla wszystkich innych takich nuklidów z A  ≤ 209, które są bardzo długie. (Takie nuklidy o A  ≤ 209 są pierwotnymi nuklidami z wyjątkiem 146 Sm.)

Opracowanie szczegółów teorii prowadzi do równania wiążącego okres półtrwania radioizotopu z energią rozpadu jego cząstek alfa, teoretycznego wyprowadzenia empirycznego prawa Geigera-Nuttalla .

Zastosowania

Americium-241 , emiter alfa , jest używany w czujnikach dymu . Cząsteczki alfa jonizują powietrze w otwartej komorze jonizacyjnej, a przez zjonizowane powietrze przepływa niewielki prąd . Cząsteczki dymu z ognia, które dostają się do komory, zmniejszają prąd, wywołując alarm czujki dymu.

Rad-223 jest również emiterem alfa . Stosowany jest w leczeniu przerzutów kostnych (nowotwory kości).

Rozpad alfa może stanowić bezpieczne źródło zasilania dla radioizotopowych generatorów termoelektrycznych wykorzystywanych w sondach kosmicznych oraz w rozrusznikach sztucznego serca . Rozpad alfa jest znacznie łatwiej chroniony przed innymi formami rozpadu radioaktywnego.

Eliminatory ładunków elektrostatycznych zazwyczaj wykorzystują polon-210 , emiter alfa, do jonizacji powietrza, co pozwala na szybsze rozproszenie „statycznego przywierania”.

Toksyczność

Wysoko naładowane i ciężkie cząstki alfa tracą energię o energii kilku MeV w niewielkiej objętości materiału, przy bardzo krótkiej średniej drodze swobodnej . Zwiększa to prawdopodobieństwo pęknięć dwuniciowych DNA w przypadku zanieczyszczenia wewnętrznego, po spożyciu, wdychaniu, wstrzykiwaniu lub wprowadzaniu przez skórę. W przeciwnym razie dotykanie źródła alfa zazwyczaj nie jest szkodliwe, ponieważ cząsteczki alfa są skutecznie chronione przez kilka centymetrów powietrza, kawałek papieru lub cienką warstwę martwych komórek skóry, które tworzą naskórek ; jednak wielu źródłom alfa towarzyszą również promienie potomne emitujące promieniowanie beta , a obu często towarzyszy emisja fotonów gamma.

Względna skuteczność biologiczna (RBE) określa ilościowo zdolność promieniowania do wywoływania pewnych skutków biologicznych, w szczególności raka lub śmierci komórkowej , przy równoważnej ekspozycji na promieniowanie. Promieniowanie alfa ma wysoki współczynnik liniowego transferu energii (LET), który wynosi około jednej jonizacji cząsteczki/atomu na każdy angstrem ruchu cząstki alfa. RBE został ustalony na wartość 20 dla promieniowania alfa przez różne przepisy rządowe. RBE jest ustawiony na 10 dla napromieniowania neutronami i na 1 dla promieniowania beta i fotonów jonizujących.

Jednak odrzut jądra macierzystego (odrzut alfa) daje mu znaczną ilość energii, co również powoduje uszkodzenia jonizacyjne (patrz promieniowanie jonizujące ). Ta energia to mniej więcej waga alfa (4  u ) podzielona przez wagę rodzica (zwykle około 200 u) razy całkowita energia alfa. Według niektórych szacunków może to odpowiadać za większość wewnętrznych uszkodzeń radiacyjnych, ponieważ jądro odrzutu jest częścią atomu, który jest znacznie większy niż cząstka alfa i powoduje bardzo gęsty ślad jonizacji; atom jest zazwyczaj metalem ciężkim , który preferencyjnie gromadzi się na chromosomach . W niektórych badaniach spowodowało to, że RBE zbliża się do 1000 zamiast wartości stosowanej w przepisach rządowych.

Największym naturalnym czynnikiem przyczyniającym się do publicznej dawki promieniowania jest radon , naturalnie występujący, radioaktywny gaz występujący w glebie i skale. Jeśli gaz jest wdychany, niektóre cząstki radonu mogą przyczepić się do wewnętrznej wyściółki płuc. Cząsteczki te nadal się rozpadają, emitując cząstki alfa, które mogą uszkadzać komórki w tkance płucnej. Śmierć Marie Curie w wieku 66 lat z powodu niedokrwistości aplastycznej była prawdopodobnie spowodowana długotrwałym narażeniem na wysokie dawki promieniowania jonizującego, ale nie jest jasne, czy było to spowodowane promieniowaniem alfa, czy promieniami rentgenowskimi. Curie intensywnie pracowała z radem, który rozpada się na radon, wraz z innymi materiałami radioaktywnymi, które emitują promienie beta i gamma . Jednak Curie pracowała również z nieosłoniętymi lampami rentgenowskimi podczas I wojny światowej, a analiza jej szkieletu podczas ponownego pochówku wykazała stosunkowo niski poziom obciążenia izotopami promieniotwórczymi.

Uważa się, że morderstwo rosyjskiego dysydenta Aleksandra Litwinienki w 2006 roku przez zatrucie promieniowaniem zostało dokonane z polonem-210 , emiterem alfa.

Bibliografia

Uwagi

Zewnętrzne linki