Что такое альфа-распад? Определение | Уравнение | пример

По | 27.07.2020

Британский физик по имени Эрнест Резерфорд впервые описал альфа-частицу в 1899 году. Он также дифференцировал и назвал альфа- и бета-излучение. Однако только в 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада, используя квантовое туннелирование.

В этой обзорной статье мы объяснили, почему происходит альфа-распад, что на самом деле происходит в процессе, каковы его первичные источники и имеет ли он какие-либо неблагоприятные последствия. Но давайте начнем с основ.

Что такое альфа-распад?

Определение: Альфа-распад (также называемый α-распадом) — это один из трех видов радиоактивного распада (другой — бета- и гамма-распад), при котором нестабильное атомное ядро ​​рассеивает избыточную энергию, спонтанно выбрасывая альфа-частицу.

Поскольку альфа-частица содержит массу из четырех единиц и двух положительных зарядов, ее излучение из ядра приводит к образованию дочернего ядра, имеющего массу на четыре единицы меньше и атомное число на две единицы меньше (чем у ее исходного ядра).

Испускаемая альфа-частица идентична ядру гелия, которое содержит два нейтрона и два протона. Он также имеет массу 4u и заряд + 2e. Символом ядра гелия является Он2+или иногда это записывается как 42Он2+,

Уравнение

В ядерной физике формулу или уравнение альфа-распада можно записать в виде:

где,

  • ВИкс это родительское ядро
  • А-4БИ 2ИКС’ это дочернее ядро
  • 42Он является испущенным ядром гелия или альфа-частицей

В ядерном уравнении альфа-частица обычно показана без учета заряда (однако она содержит заряд + 2e).

Альфа-распад происходит только в тяжелых нуклидах. Теоретические расчеты показывают, что этот тип распада может происходить в ядрах, немного более тяжелых, чем никель (атомное число 28). В реальном мире, однако, он был обнаружен только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель.

Теллур (атомное число 52) — самый легкий элемент, изотопы которого (104До 109Те), как известно, подвергаются альфа-распаду. Тем не менее, есть некоторые исключительные случаи, такие как изотоп бериллия (8Быть), который распадается на две альфа-частицы.

Примеры

уран разлагается в торий

Наиболее популярным примером такого рода ядерной трансмутации является распад урана. Уран-238 (самый распространенный изотоп урана, встречающийся в природе) распадается с образованием тория-234.

23892Ур 23490Th + 42Он

Куда,

  • 23892Ур — нестабильное материнское ядро ​​Уран-238
  • 23490Th является дочерним ядром тория-234
  • 42Он это выброшенная альфа-частица

Как видите, сумма индексов (масс и атомных номеров) остается одинаковой с каждой стороны уравнения.

Торий также становится радием

23290Th 22888Ра + 42Он

Нептуний превращается в протактиний

23793Np 23391Па + 42Он

Платина становится Осмием

17578Pt 17176Os + 42Он

Гадолиний становится самарием

14964Б-г 14562Sm + 42Он

Итак, три вещи происходят в альфа-распаде:

  1. Тяжелое (родительское) ядро ​​распадается на две части.
  2. Альфа-частица выбрасывается в космос.
  3. У оставшегося (дочернего) ядра его массовое число уменьшено на четыре, а его атомное число уменьшено на два.

Почему альфа-распад происходит?

Два фундаментальных взаимодействия играют главную роль в альфа-распаде: ядерная сила (ближняя) и электромагнитная сила (дальняя). Сила притягательных ядерных сил (действующих между нейтронами) намного больше, чем отталкивающих электромагнитных сил (действующих между протонами). Таким образом, ядерная сила удерживает атомное ядро ​​вместе.

Однако когда общая разрушительная электромагнитная сила преодолевает ядерную силу, атомное ядро ​​распадается на две или более частей. Исследования показывают, что ядро, содержащее более 209 нуклонов, настолько велико, что электромагнитное отталкивание между его протонами часто разрушает привлекательную ядерную силу, удерживающую его.

Это происходит потому, что сила ядерной силы быстро падает за пределы одного фемтометра, в то время как электромагнитная сила сохраняет такую ​​же силу на больших расстояниях.

Классическая физика не позволяет альфа-частицам избегать сильных ядерных сил внутри ядра. Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частицам убегать через квантовое туннелирование, даже если они не обладают достаточной энергией для преодоления ядерной силы.

Основной источник альфа-распада

Альфа-частицы в основном испускаются более тяжелыми атомами (атомный номер> 106), такими как торий, уран, радий и актиний. Фактически, почти 99 процентов гелия, генерируемого на Земле, происходит от альфа-распада подземных минералов, состоящих из тория или урана.

Космические лучи, которые выходят за пределы атмосферы Земли, также содержат альфа-частицы. Около 90 процентов ядер космических лучей составляют водород (протоны), 9 процентов — гелий (альфа-частицы) и 1 процент — ионы HZE. Доля изменяется в зависимости от энергетического диапазона космических лучей.

Некоторые искусственные изотопы испускают альфа-частицы: например, радиоизотопы кюрия, америция и плутония. Они создаются в ядерном реакторе путем поглощения нейтронов различными изотопами урана.

Высокоэнергетические ядра гелия также могут быть искусственно созданы ускорителями частиц, такими как синхротрон и циклотроны. Однако их обычно не называют альфа-частицами.

Это опасно?

Как правило, выброшенные альфа-частицы имеют кинетическую энергию 5 Мегаэлектронвольт, и они движутся со скоростью почти 5 процентов скорости света. Поскольку они несут + 2e электрический заряд и имеют большую массу, они могут легко взаимодействовать с другими атомами и терять свою энергию.

Хотя альфа-распад является сильно ионизирующим излучением частиц, он имеет низкую глубину проникновения. Движение вперед альфа-частиц может быть остановлено куском бумаги, толстым слоем воздуха или внешними слоями кожи человека.

Уровень проникновения альфа, бета и гамма частиц

Они не опасны для жизни, если источник не вдыхается, не проглатывается и не вводится. Если радиоактивное вещество, разлагающее альфа-частицу, попадает в организм, оно может быть в 20 раз опаснее гамма-излучения. Большие дозы могут привести к радиационному отравлению. Полоний-210, сильный альфа-излучатель, играет ключевую роль при раке мочевого пузыря и легких.

Хотя альфа-частицы не могут проникнуть сквозь кожу человека, они могут повредить роговицу. Некоторые альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими ядрами, которые, в свою очередь, сопровождаются испусканием гамма-фотонов.

Радон является одним из крупнейших источников дозы облучения населения. При вдыхании некоторые его частицы прикрепляются к внутренней оболочке легкого и в конечном итоге повреждают клетки в ткани легкого.

Читайте: 15 интригующих фактов об уране | Слабый радиоактивный металл

Приложения

Принцип работы детектора дыма

Радиоактивные источники альфа-частиц используются в детекторах дыма. Америций-241, например, выделяет альфа-частицы, которые ионизируют воздух внутри детектора. Когда дым попадает в оборудование, он поглощает излучение, вызывая тревогу.

Альфа-частицы из полония-210 используются для устранения статического электричества с оборудования. Альфы привлекают свободные электроны, уменьшая потенциал локального статического электричества. Эта техника распространена на бумажных фабриках.

Рентгеновская спектроскопия альфа-частиц используется для определения состава горных пород и почв. НАСА использовало этот процесс на Mars Exploration Rover для сбора данных о курте, погодных данных и активности воды на Красной планете.

Пеллета 238PuO2 как используется в RTG для космических миссий. Пеллета светится красным цветом из-за тепла, генерируемого альфа-распадом | Изображение предоставлено: Викимедиа

Космические агентства используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) для питания различных космических аппаратов и спутников, включая Voyager 1/2 и Pioneer 10/11. Эти генераторы используют плутоний-238 для работы в качестве батареи длительного действия. Плутоний-238 испускает альфа-излучение, в результате чего выделяется тепло, которое преобразуется в электричество.

Читайте: 14 лучших примеров радиации и их влияние

Ученые в настоящее время работают над использованием разрушительной природы альфа-излучающих источников для лечения рака. Они пытаются направить небольшое количество альфа-частиц к опухолевым клеткам. Поскольку эти частицы имеют небольшую глубину проникновения, они могут остановить рост опухоли или, возможно, уничтожить ее, не затрагивая окружающие здоровые ткани. Этот вид лечения известен как радиотерапия с открытым источником.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *