No Image

Энергия альфа частицы

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
16 октября 2019
Альфа-частица
Символ: α, α 2+ , He 2+

Альфа-частица
Ядро изотопа: Гелий-4 ( 2 4 H e 2 + <displaystyle extstyle <<>_<2>^<4>mathrm ^<2+>>> )
Химический элемент: Гелий
Состав: 2 протона, 2 нейтрона
Семья: Бозон
Магнитный момент:
Электрический квадрупольный момент:
Массовое число (барионное число): 4
Масса: 3,727379240(82) ГэВ (около 6,644656⋅10 −27 кг)
Масса, а.е.м.: 4,001506179125(62)
Энергия связи: 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон) [1]
Время жизни: Стабильна
Чётность: +
Квантовые числа:
Электрический заряд: 2
Спин:
Изотопический спин:
Гиперзаряд: 4

А́льфа-части́ца (α-частица) — положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами; ядро атома гелия-4 ( 2 4 H e 2 + <displaystyle extstyle <<>_<2>^<4>mathrm ^<2+>>> ) . Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами или альфа-излучением [2] .

Содержание

Образование [ править | править код ]

Альфа-частицы возникают при альфа-распаде ядер, при ядерных реакциях и в результате полной ионизации атомов гелия-4. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6 Li+ 2 H= 4 He+ 4 He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия из звёздных атмосфер и межзвёздного газа, некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц.

Свойства [ править | править код ]

Масса альфа-частицы составляет 4,001506179125(62) атомной единицы массы (около 6,644656⋅10 −27 кг), что эквивалентно энергии 3,727379240(82) ГэВ. Спин и магнитный момент равны нулю. Энергия связи составляет 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон) [1] . Заряд альфа-частицы равен удвоенному элементарному заряду, или примерно 3,218·10 −19 Кл .

Проникающая способность [ править | править код ]

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см 2 ). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.

Длина пробега α-частицы в зависимости от её энергии и среды

Среда Энергия α-частиц, МэВ
4 6 8 10
Длина пробега α-частицы, мм
Воздух при нормальных условиях 25 46 74 106
Биологическая ткань 0,031 0,056 0,096 0,130
Алюминий 0,016 0,030 0,048 0,069

Детектирование [ править | править код ]

Детектируются альфа-частицы с помощью сцинтилляционных детекторов, газоразрядных детекторов, кремниевых pin-диодов (поверхностно-барьерных детекторов, нечувствительных к бета- и гамма-излучению) и соответствующей усилительной электроники, а также с помощью трековых детекторов. Для детектирования альфа-частиц с энергиями, характерными для радиоактивного распада, необходимо обеспечить малую поверхностную плотность экрана, отделяющего чувствительный объём детектора от окружающей среды. Например, в газоразрядных детекторах может устанавливаться слюдяное окно с толщиной в несколько микрон, проницаемое для альфа-частиц. В полупроводниковых поверхностно-барьерных детекторах такой экран не нужен, рабочая область детектора может непосредственно контактировать с воздухом. При детектировании альфа-активных радионуклидов в жидкостях исследуемое вещество смешивается с жидким сцинтиллятором.

В настоящее время наиболее распространены кремниевые поверхностно-барьерные детекторы альфа-частиц, в которых на поверхности полупроводникового кристалла с проводимостью p -типа создаётся тонкий слой с проводимостью n -типа путём диффузионного введения донорной примеси (например, фосфора). Приложение обратного смещения к p-n -переходу обедняет чувствительную область детектора носителями заряда. Попадание в эту область альфа-частицы, ионизирующей вещество, вызывает рождение нескольких миллионов электронно-дырочных пар, которые вызывают регистрируемый импульс тока с амплитудой, пропорциональной количеству родившихся пар и, соответственно, кинетической энергии поглощённой альфа-частицы. Поскольку обеднённая область имеет очень малую толщину, детектор чувствителен лишь к частицам с высокой плотностью ионизации (альфа-частицы, протоны, осколки деления, тяжёлые ионы) и малочувствителен к бета- и гамма-излучению.

Читайте также:  Что поесть чтобы не тошнило

Воздействие на электронику [ править | править код ]

Вышеописанный механизм рождения электронно-дырочных пар альфа-частицей в полупроводниках может вызвать несанкционированное переключение полупроводникового триггера при попадании альфа-частицы с достаточной энергией на кремниевый чип. При этом единичный бит в памяти заменяется нулевым (или наоборот). Для уменьшения количества таких ошибок материалы, используемые в производстве микросхем, должны обладать низкой собственной альфа-активностью.

Воздействие на человека [ править | править код ]

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ [3] . При движении альфа-частицы в веществе, она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов, и в результате этого очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Внешнее альфа-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных альфа-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается [4] , что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении альфа-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Однако следует отметить, что линейная передача энергии высокоэнергичных альфа-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, поэтому их относительная биологическая эффективность сравнима с таковой для гамма-квантов и бета-частиц.

Таким образом, опасность для человека при внешнем облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. В то же время большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ [5] .

Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт) [6] . Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества (например полония-210), чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом [6] .

Альфа-частица представляет собой ядро гелия. Если у атома гелия убрать электронную оболочку, то останется эта частица. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, имеет сферическую форму с радиусом 10 -5 метра. Масса альфа-частицы составляет 6,68 * 10 -27 килограмм.

История открытия

На рубеже XIX-XX веков два физика с мировым именем открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, который работал в Канаде в городе Монреале, и французский химик и физик Поль Вийяр, который ставил свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали различные виды радиации по их свойствам проникать через различные среды, а также по их взаимодействию с искусственным магнитным полем.

В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность через различные предметы среди изучаемых видов радиации.

Элементарные частицы: протоны и нейтроны

В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики – электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.

Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10 -27 кг и заряд +1,602 * 10 –19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10 -27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название – "нейтрон").

Читайте также:  Левомицетин таблетки от поноса инструкция по применению

Альфа-частицы и их заряд

Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принимать во внимание названные выше цифры, а также учитывать, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы является положительным и равен +3,204 * 10 –19 Кл. Отметим, что значение +1,602 * 10 –19 Кл принято в физике называть элементарным зарядом, поскольку он равен по модулю этим же величинам у протона и электрона. Таким образом, заряд альфа-частицы равен +2 элементарных заряда.

Масса альфа-частицы

Если учитывать аддитивное свойство физической величины "масса", то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10 -27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.

Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10 -27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10 -27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост – она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние – нашу альфа-частицу.

Энергия образования

Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной – скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc 2 , где E – энергия, m – масса, c – скорость света в вакууме.

Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10 -27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 10 8 м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10 -27 * 9 * 10 16 = 1,35 * 10 -12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10 −19 Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 10 6 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).

Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv 2 /2, где v – скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 10 7 м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.

Основные физические свойства

Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз – электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу – 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.

Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.

Читайте также:  Средство от тошноты и боли в желудке

Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.

Проникающая способность

Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.

Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.

Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.

Альфа-частица – продукт радиоактивного распада

Несмотря на то что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, из этих элементарных частиц она в природе не образуется, а получается в результате радиоактивного альфа-распада некоторых химических элементов.

Альфа-распад является одним из видов радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро некоторого химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро другого элемента, масса которого на 4 а.е.м. меньше, чем эта величина у родительского ядра, а порядковый номер в таблице Менделеева на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.

Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольным образом в природе) и вынужденным (вызван в результате какого-либо специального воздействия на атомное ядро). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Так, самым легким элементом, который испытывает спонтанный альфа-распад, является теллурий 106. Уран 238 также претерпевает альфа-распад с образованием технеция 234.

Поскольку альфа-частица обладает двойным положительным элементарным зарядом, она при распаде радиоактивного ядра быстро захватывает электроны, образуя при этом атом гелия. Именно по этой причине во многих породах с большим содержанием альфа-радиоактивных элементов имеются полости, заполненные газом гелием, например в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который находится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.

  • В книжной версии

    Том 1. Москва, 2005, стр. 572

    Скопировать библиографическую ссылку:

    А́ЛЬФА-ЧАСТИ́ЦА ( α -час­ти­ца), яд­ро ато­ма ге­лия ( 4 Не); со­сто­ит из двух протонов и двух ней­тро­нов. От­кры­та и назва­на Э. Ре­зер­фор­дом в 1899. Мас­са А.-ч. со­став­ля­ет 4,00273 а. е. м., или 6,644 · 10 –24 г, спин и маг­нит­ный мо­мент рав­ны ну­лю. Энер­гия свя­зи 28,3 МэВ (ок. 7,1 МэВ на ну­клон). А.-ч. яв­ля­ет­ся наи­бо­лее проч­ным и ком­пакт­ным из всех из­вест­ных ядер (по­сле про­то­на). Энер­гия от­ры­ва ней­тро­на или про­то­на от А.-ч. со­став­ля­ет при­мер­но 20 МэВ. Плот­ность ну­кло­нов в цен­тре А.-ч. поч­ти в 2 раза пре­вы­ша­ет плот­ность ну­кло­нов в цен­тре сред­них и тя­жё­лых ядер. Эти осо­бен­но­сти А.-ч. при­во­дят к то­му, что в не­ко­то­рых слу­ча­ях в яд­рах воз­ника­ют груп­пи­ров­ки из двух про­то­нов и двух ней­тро­нов – т. н. аль­фа-кла­сте­ры (см. Кла­стер­ная мо­дель яд­ра ).

    Комментировать
    1 просмотров
    Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

    Это интересно
    No Image Отравления
    0 комментариев
    No Image Отравления
    0 комментариев
    No Image Отравления
    0 комментариев
    No Image Отравления
    0 комментариев
    Adblock detector