Состав | 2 протона, 2 нейтрона |
---|---|
Статистика | Бозонный |
Символ | α, α2 + , Не2 + |
Масса | 6,644 657 3450 (21) × 10 −27 кг [ 1] 4,001 506 179 129 (62) Да [ 2] 3,727 379 4118 (11) ГэВ/ c 2 [ 3] |
Электрический заряд | +2 е |
Вращаться | 0 ч [4] |
Альфа-частицы , также называемые альфа-лучами или альфа-излучением , состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия-4 . [5] Они обычно производятся в процессе альфа-распада, но могут также производиться другими способами. Альфа-частицы названы в честь первой буквы греческого алфавита , α . Символ для альфа-частицы - α или α 2+ . Поскольку они идентичны ядрам гелия, их также иногда записывают как He 2+ или4
2He 2+ указывает на ион гелия с зарядом +2 (отсутствуют два электрона ). Как только ион получает электроны из своего окружения, альфа-частица становится обычным (электрически нейтральным) атомом гелия4
2Он .
Альфа-частицы имеют чистый спин, равный нулю. При образовании в стандартном альфа- радиоактивном распаде альфа-частицы обычно имеют кинетическую энергию около 5 МэВ и скорость около 4% от скорости света . Они являются высокоионизирующей формой излучения частиц с малой глубиной проникновения (останавливаются несколькими сантиметрами воздуха или кожей ) .
Однако так называемые дальнобойные альфа- частицы из тройного деления в три раза энергичнее и проникают в три раза дальше. Ядра гелия, которые образуют 10–12% космических лучей , также обычно имеют гораздо более высокую энергию, чем те, которые производятся процессами ядерного распада, и, таким образом, могут быть очень проникающими и способны проходить через человеческое тело, а также многие метры плотного твердого экрана, в зависимости от их энергии. В меньшей степени это также верно для ядер гелия с очень высокой энергией, производимых ускорителями частиц.
Термин «альфа-частица» был придуман Эрнестом Резерфордом в отчете о его исследованиях свойств уранового излучения. [6] Излучение, по-видимому, имело два различных характера, первый он назвал « излучением», а более проникающий он назвал « излучением». После пяти лет дополнительных экспериментальных работ Резерфорд и Ганс Гейгер определили, что «альфа-частица, после того как она потеряла свой положительный заряд, является атомом гелия». [7] [8] [9] : 61 Альфа-излучение состоит из частиц, эквивалентных дважды ионизированным ядрам гелия (He 2+ ), которые могут получать электроны, проходя через вещество. Этот механизм является источником земного гелия. [10]
Самым известным источником альфа-частиц является альфа-распад более тяжелых (массовое число не менее 104) атомов. Когда атом испускает альфа-частицу при альфа-распаде, массовое число атома уменьшается на четыре из-за потери четырех нуклонов в альфа-частице. Атомный номер атома уменьшается на два в результате потери двух протонов – атом становится новым элементом. Примерами такого рода ядерной трансмутации посредством альфа-распада являются распад урана на торий и радия на радон .
Альфа-частицы обычно испускаются всеми более крупными радиоактивными ядрами, такими как уран , торий , актиний и радий , а также трансурановыми элементами. В отличие от других типов распада, альфа-распад как процесс должен иметь минимальное атомное ядро, которое может его поддерживать. Наименьшие ядра, которые на сегодняшний день способны к альфа-излучению, — это бериллий-8 и теллур-104 , не считая бета-задержанного альфа-излучения некоторых более легких элементов. Альфа-распад иногда оставляет материнское ядро в возбужденном состоянии; затем испускание гамма-излучения удаляет избыточную энергию .
В отличие от бета-распада , фундаментальные взаимодействия, ответственные за альфа-распад, представляют собой баланс между электромагнитной силой и ядерной силой . Альфа-распад является результатом кулоновского отталкивания [4] между альфа-частицей и остальной частью ядра, которые обе имеют положительный электрический заряд , но который сдерживается ядерной силой . В классической физике альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы вырваться из потенциальной ямы из-за сильной силы внутри ядра (эта яма подразумевает вырывание из сильной силы, чтобы подняться по одной стороне ямы, за чем следует электромагнитная сила, вызывающая отталкивающее отталкивание по другой стороне).
Однако квантовый туннельный эффект позволяет альфам вырваться, даже если у них недостаточно энергии, чтобы преодолеть ядерную силу . Это допускается волновой природой материи, которая позволяет альфа-частице проводить часть своего времени в области, настолько удаленной от ядра, что потенциал отталкивающей электромагнитной силы полностью компенсирует притяжение ядерной силы. Из этой точки альфа-частицы могут вырваться.
Особенно энергичные альфа-частицы, получаемые в результате ядерного процесса, производятся в относительно редком (одна из нескольких сотен) процессе ядерного деления тройного деления . В этом процессе из события производятся три заряженные частицы вместо обычных двух, причем наименьшая из заряженных частиц, скорее всего (с вероятностью 90%), является альфа-частицей. Такие альфа-частицы называются «альфа-частицами дальнего радиуса действия», поскольку при их типичной энергии 16 МэВ они имеют гораздо большую энергию, чем когда-либо производимая альфа-распадом. Тройное деление происходит как при делении, вызванном нейтронами ( ядерная реакция , которая происходит в ядерном реакторе), так и когда делящиеся и делящиеся актиниды- нуклиды (т. е. тяжелые атомы, способные к делению) подвергаются спонтанному делению как форме радиоактивного распада. Как при вынужденном, так и при спонтанном делении более высокие энергии, доступные в тяжелых ядрах, приводят к альфа-частицам дальнего радиуса действия с более высокой энергией, чем те, которые возникают при альфа-распаде.
Энергичные ядра гелия (ионы гелия) могут быть получены циклотронами , синхротронами и другими ускорителями частиц . По соглашению их обычно не называют «альфа-частицами». [ необходима цитата ]
Ядра гелия могут участвовать в ядерных реакциях в звездах, и иногда исторически их называли альфа-реакциями (см. тройной альфа-процесс и альфа-процесс ).
Кроме того, ядра гелия с чрезвычайно высокой энергией, иногда называемые альфа-частицами, составляют около 10–12 % космических лучей . Механизмы производства космических лучей продолжают обсуждаться.
Энергия альфа-частицы, испускаемой при альфа-распаде , слабо зависит от периода полураспада процесса испускания, при этом различия в периоде полураспада на много порядков связаны с изменениями энергии менее чем на 50%, как показано в законе Гейгера-Наттолла .
Энергия испускаемых альфа-частиц варьируется, причем альфа-частицы с более высокой энергией испускаются более крупными ядрами, но большинство альфа-частиц имеют энергию от 3 до 7 МэВ (мегаэлектронвольт), что соответствует чрезвычайно длинным и чрезвычайно коротким периодам полураспада альфа-излучающих нуклидов соответственно. Энергии и отношения часто различны и могут использоваться для идентификации конкретных нуклидов, как в альфа-спектрометрии .
При типичной кинетической энергии 5 МэВ; скорость испускаемых альфа-частиц составляет 15 000 км/с, что составляет 5% от скорости света. Эта энергия является существенным количеством энергии для одной частицы, но их большая масса означает, что альфа-частицы имеют более низкую скорость, чем любой другой распространенный тип излучения, например, β-частицы , нейтроны . [12]
Из-за своего заряда и большой массы альфа-частицы легко поглощаются материалами, и они могут перемещаться всего на несколько сантиметров в воздухе. Они могут поглощаться папиросной бумагой или внешними слоями человеческой кожи. Обычно они проникают в кожу на глубину около 40 микрометров , что эквивалентно нескольким клеткам .
Из-за короткого диапазона поглощения и неспособности проникать через внешние слои кожи альфа-частицы, как правило, не опасны для жизни, если только источник не проглатывается или не вдыхается. [13] Из-за этой большой массы и сильного поглощения, если альфа-излучающие радионуклиды действительно попадают в организм (при вдыхании, проглатывании или инъекции, как при использовании торотраста для высококачественных рентгеновских снимков до 1950-х годов), альфа-излучение является наиболее разрушительной формой ионизирующего излучения . Оно является наиболее сильно ионизирующим и при достаточно больших дозах может вызвать любые или все симптомы радиационного отравления . По оценкам, повреждение хромосом от альфа-частиц где-то от 10 до 1000 [14] раз больше, чем вызванное эквивалентным количеством гамма- или бета-излучения, при этом среднее значение установлено в 20 раз. Исследование европейских работников атомной промышленности, подвергшихся внутреннему воздействию альфа-излучения плутония и урана, показало, что если относительная биологическая эффективность считается равной 20, канцерогенный потенциал (с точки зрения рака легких) альфа-излучения, по-видимому, соответствует тому, который сообщается для доз внешнего гамма-излучения, т.е. данная доза вдыхаемых альфа-частиц представляет тот же риск, что и в 20 раз более высокая доза гамма-излучения. [15] Мощный альфа-излучатель полоний-210 (миллиграмм 210 Po испускает столько же альфа-частиц в секунду, сколько 4,215 грамма 226 Ra ) подозревается в роли в раке легких и раке мочевого пузыря, связанном с курением табака . [16] 210 Po был использован для убийства российского диссидента и бывшего сотрудника ФСБ Александра В. Литвиненко в 2006 году. [17]
В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что уран испускает невидимое излучение, которое может оставлять следы на фотографических пластинках, и это загадочное излучение не было фосфоресценцией . [9] : 49 Мария Кюри показала, что это явление, которое она назвала «радиоактивностью», не было уникальным для урана и являлось следствием отдельных атомов. [9] : 55 Эрнест Резерфорд изучал излучение урана и обнаружил, что оно может ионизировать частицы газа. [19] : 2
В 1899 году Резерфорд обнаружил, что излучение урана представляет собой смесь двух типов излучения. [9] : 60 Он провел эксперимент, в котором участвовали два электрода, разделенные 4 см воздуха. Он поместил немного урана на нижний электрод, и излучение урана ионизировало воздух между электродами, создавая ток. Затем Резерфорд поместил алюминиевую фольгу (толщиной 5 микрометров) над ураном и заметил, что ток немного упал, что указывает на то, что фольга поглощает часть излучения урана. Резерфорд поместил еще несколько фольг над ураном и обнаружил, что для первых четырех фольг ток неуклонно уменьшался в геометрической прогрессии. Однако после четвертого слоя фольги над ураном ток больше не падал и оставался более или менее ровным до двенадцати слоев фольги. Этот результат показал, что излучение урана состоит из двух компонентов. Резерфорд назвал один компонент «альфа-излучением», который полностью поглощался всего несколькими слоями фольги, а то, что оставалось, было вторым компонентом, который мог легче проникать сквозь фольгу, и он назвал последний « бета-излучением ». [18]
В 1900 году Мария Кюри заметила, что коэффициент поглощения альфа-лучей, по-видимому, увеличивается по мере увеличения толщины барьера, который она помещает на их пути. Это предполагает, что альфа-излучение не является формой света, а состоит из частиц, которые теряют кинетическую энергию при прохождении через барьеры. В 1902 году Резерфорд обнаружил, что он может отклонять альфа-лучи с помощью магнитного поля и электрического поля, показав, что альфа-излучение состоит из электрически заряженных частиц. Направление, в котором отклоняются альфа-частицы, было противоположно направлению катодных лучей, что показало, что они заряжены положительно. [20] [21]
В 1906 году Резерфорд провел несколько более точных измерений отношения заряда к массе альфа-частиц. Во-первых, он обнаружил, что это отношение было более или менее одинаковым, независимо от источника — радий или актиний , что показало, что альфа-частицы одинаковы независимо от источника. Во-вторых, он обнаружил, что отношение заряда к массе альфа-частиц составляет половину от отношения заряда к массе иона водорода. Резерфорд предложил три объяснения: 1) альфа-частица — это молекула водорода (H2 ) с зарядом 1 е ; 2) альфа-частица — это атом гелия с зарядом 2 е ; 3) альфа-частица — это половина атома гелия с зарядом 1 е . В то время в истории ученые знали, что ионы водорода имеют атомный вес 1 и заряд 1 е , а гелий имеет атомный вес 4. Никто точно не знал, сколько электронов находится в атоме. Протоны и нейтроны еще не были открыты. Резерфорд решил, что второе объяснение наиболее правдоподобно, поскольку оно является самым простым, а крупные залежи гелия обычно находят под землей рядом с залежами радиоактивных элементов. Его объяснение состояло в том, что альфа-частицы, испускаемые подземными радиоактивными элементами, попадают в ловушку в пластах горных пород и приобретают электроны, становясь атомами гелия. [22] Поэтому альфа-частица по сути является атомом гелия, лишенным двух электронов.
В 1909 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс наконец доказали, что альфа-частицы действительно являются ионами гелия. [23] Для этого они собрали и очистили газ, испускаемый радием, известным излучателем альфа-частиц, в стеклянной трубке. Электрический искровой разряд внутри трубки производил свет. Последующее изучение спектров этого света показало, что газ был гелием, и, таким образом, альфа-частицы действительно были ионами гелия. [9] : 61
В 1911 году Резерфорд использовал данные по рассеянию альфа-частиц, чтобы доказать, что положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре. В 1913 году Антониус ван ден Брук предположил, что аномалии в периодической таблице будут уменьшены, если заряд ядра в атоме и, следовательно, число электронов в атоме будут равны его атомному номеру . [9] : 228 [24] [25] Следовательно, атом гелия имеет два электрона, а альфа-частица по сути является ядром гелия. В 1920 году Резерфорд вывел существование протона как источника положительного заряда в атоме. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон . После этого стало известно, что альфа-частица представляет собой агломерацию двух протонов и двух нейтронов.
Хотя эквиваленты антиматерии для гелия-3 были известны с 1970 года, потребовалось время до 2010 года для участников международного сотрудничества STAR, использующих релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США , чтобы обнаружить антиматерию- партнера ядра гелия-4. [26] Как и в экспериментах по рассеянию Резерфорда , в эксперименте с антиматерией использовалось золото. На этот раз ионы золота двигались почти со скоростью света и сталкивались лоб в лоб, чтобы произвести античастицу, также названную «анти-альфа»-частицей. [27]
В настоящее время альфа-излучающие радионуклиды используются тремя различными способами для уничтожения раковых опухолей: в качестве инфузионной радиоактивной терапии, направленной на определенные ткани (радий-223), в качестве источника излучения, вводимого непосредственно в солидные опухоли (радий-224), и в качестве присоединения к молекуле, нацеленной на опухоль, например, антитела к антигену, ассоциированному с опухолью.
Радий-223 является альфа-излучателем, который естественным образом притягивается к кости, поскольку является миметиком кальция . Радий-223 (в виде дихлорида радия-223) может быть введен в вены онкологического пациента, после чего он мигрирует в части кости, где происходит быстрый оборот клеток из-за наличия метастазирующих опухолей. Попав в кость, Ra-223 испускает альфа-излучение, которое может уничтожить опухолевые клетки на расстоянии 100 микрон. Этот подход используется с 2013 года для лечения рака простаты , который дал метастазы в кости. [32] Радионуклиды, введенные в кровоток, способны достигать участков, которые доступны для кровеносных сосудов. Однако это означает, что внутренняя часть большой опухоли, которая не васкуляризирована (т. е. плохо пронизана кровеносными сосудами), не может быть эффективно уничтожена радиоактивностью.
Радий-224 — это радиоактивный атом, который используется в качестве источника альфа-излучения в устройстве для лечения рака под названием DaRT ( радиационная терапия с рассеивающими альфа-излучателями ). Каждый атом радия-224 подвергается процессу распада, производя 6 дочерних атомов. Во время этого процесса испускаются 4 альфа-частицы. Диапазон альфа-частицы — до 100 микрон — недостаточен для покрытия ширины многих опухолей. Однако дочерние атомы радия-224 могут диффундировать до 2–3 мм в ткани, тем самым создавая «область убийства» с достаточным количеством излучения, чтобы потенциально уничтожить всю опухоль, если семена размещены надлежащим образом. [33] Период полураспада радия-224 достаточно короток и составляет 3,6 дня, чтобы произвести быстрый клинический эффект, избегая при этом риска радиационного поражения из-за чрезмерного облучения. В то же время период полураспада достаточно длинный, чтобы обеспечить обработку и доставку семян в центр лечения рака в любую точку мира.
Таргетная альфа-терапия для солидных опухолей включает присоединение радионуклида, испускающего альфа-частицы, к молекуле, нацеленной на опухоль, такой как антитело, которое может быть доставлено путем внутривенного введения онкологическому пациенту. [34]
В компьютерной технологии « мягкие ошибки » динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) были связаны с альфа-частицами в 1978 году в чипах DRAM компании Intel . Это открытие привело к строгому контролю радиоактивных элементов в упаковке полупроводниковых материалов, и проблема в значительной степени считается решенной. [35]
Очевидно, что из рассмотрения случаев водорода и гелия, где у водорода один электрон, а у гелия два, число электронов не может быть точно равно половине атомного веса во всех случаях. Это привело к интересному предположению Ван ден Брука о том, что число единиц заряда на ядре, а следовательно, и число внешних электронов, может быть равно числу элементов, если расположить их в порядке увеличения атомного веса.
Первоначальное предположение ван дер Брука о том, что заряд ядра равен атомному номеру, а не половине атомного веса, кажется мне весьма многообещающим.