Alfa záření

Emise částice alfa (červené protony, modré neutrony)

Alfa záření nebo záření alfa je ionizující záření , ke kterému dochází během rozpadu alfa , což je typ radioaktivního rozpadu atomových jader. Radioaktivní nuklid, který emituje toto záření, je známý jako alfa zářič . Název pochází z Rutherfordovy klasifikace záření z radioaktivních látek na paprsky alfa, beta a gama (v pořadí podle rostoucí penetrační síly). Alfa záření je částicové záření , protože rozpadající se atomové jádro ( mateřské jádro ) emituje atomové jádro helia- 4, které se v tomto případě nazývá alfa částice , a stává se tak dceřiným jádrem .

Symbolem částice alfa je malé řecké písmeno α (alfa).

Fyzika rozpadu alfa

Proces rozpadu

Alfa spektrum izotopů plutonia ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu a ²³⁸ Pu. Rozmazání (chvost) každého píku na jeho nízkoenergetické (levé) straně je způsobeno ztrátou energie v důsledku nepružných kolizí alfa částic ve vzorku.

Alfa částice je jádro atomu helia-4, je to dvojmocný kation helia. Skládá se ze dvou protonů a dvou neutronů . Hmotnost počet jádra se snižuje o čtyři prvky v alfa rozpad, se atomovým číslem od dvou jednotek. Označuje -li X mateřský nuklid a Y dceřiný nuklid, energii uvolněnou během rozpadu, a pokud jsou nahoře zapsána hmotnostní čísla a dole řadová čísla , platí pro alfa rozpad obecně následující: ${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle Z}$

${\ displaystyle {} _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X} \ to {} _ {Z-2} ^ {A-4} \ mathrm {Y} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He} + \ Delta E}$.

Konkrétním příkladem je:

${\ displaystyle {} _ {\ 62} ^ {146} \ mathrm {Sm} \ až {} _ {\ 60} ^ {142} \ mathrm {Nd} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {He} +2 {,} 529 \, \ mathrm {MeV}}$.

Alfa částice opouští jádro s výstupní rychlostí mezi přibližně 10 000 km / s a ​​20 000 km / s, což odpovídá kinetické energii několika MeV . Počáteční přebytek elektronů v dceřiném atomu, který je vytvořen, je snížen zpětným rázem rozpadu a interakce (rovnováha náboje) s okolní hmotou.

Energetické spektrum

Coulombwall . Modelový potenciál pro alfa částici, který se skládá z jádrového potenciálu krátkého dosahu aproximovaného potenciálním vrtem a Coulombova potenciálu dlouhého dosahu.

Jako u každého radioaktivního rozpadu, alfa rozpad uvolňuje přesně definované množství energie. Odpovídá hmotnosti, která se během procesu ztratí jako hromadná vada . Tato energie se projevuje jako kinetická energie částice alfa a dceřiného jádra; V některých případech může část energie zpočátku zůstat jako excitovaný stav dceřiného jádra a poté se následně rozptýlí jako záření gama . Kinetická energie je rozdělena mezi dvě částice v obráceném poměru jejich hmot (viz kinematika (částicové procesy) ). Alfa částice emitované daným nuklidem proto mají, na rozdíl například od rozpadu beta, pouze velmi specifické hodnoty kinetické energie , tj. to znamená, že jeho energetické spektrum je liniové spektrum . Toto spektrum je charakteristické pro příslušný radionuklid. Jeho měření lze tedy použít ke stanovení tohoto nuklidu. ${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$

Coulombwall, tunelový efekt

Na jedné straně je alfa částice přitahována k jádru silnou interakcí , ale zároveň je elektricky odpuzována kvůli nábojům stejného jména. Silnější jaderná síla má krátký dosah, slabší elektrostatický odpor velký dosah. Potenciál proto tvoří jakousi bariéru, Coulombovu zeď . Stěna je vyšší než kinetická energie dostupná pro alfa částici. Podle klasické fyziky by proto byla alfa částice stabilně vázána v jádře; může to však opustit pomocí efektu kvantového mechanického tunelu . Pravděpodobnost tohoto za jednotku času může být velmi malý. Určuje poločas rozpadu. Pozorovaný vztah mezi poločasem a energií emitovaných alfa částic je popsán podle Geiger-Nuttallova pravidla .

Radionuklidy s rozpadem alfa

Typickými alfa zářiči vyskytujícími se v přírodě jsou uran a thorium, jakož i jejich produkty rozpadu radium a radon . Kinetická energie alfa částice je obvykle řádově 2 až 5  MeV . Alfa částice z uměle vytvořených nuklidů však mohou mít energii přes 10 MeV. Alfa energie a biologické poločasy jednotlivých nuklidů lze vyhledat v seznamu izotopů a jsou uvedeny v nuklidových mapách .

Podle hmotnostního vzorce Bethe-Weizsäckera má rozklad alfa za následek pozitivní uvolnění energie pro všechny nuklidy z hmotnosti čísla 165, protože součet hmotností částice alfa a dceřiného jádra vypočítaný tímto způsobem je menší než hmotnost mateřské jádro. U mnoha těžkých nuklidů však nebyl alfa rozpad nikdy pozorován. V posledních několika desetiletích však byly některé nuklidy, které byly dříve považovány za stabilní, „vystaveny“ extrémně dlouhým životem alfa zářičů, například ¹⁴⁹ Sm , ¹⁵² Gd a ¹⁷⁴ Hf . To nebylo až do 2000s, že alfa rozpad s poločasy několika bilionů let mohl být také detekován při ¹⁸⁰ W a ²⁰⁹ Bi .

důkaz

V zásadě jsou všechny detektory částic vhodné pro detekci alfa záření, například pro účely radiační ochrany . Radiace však musí být schopna zasáhnout vnitřek detektoru, citlivý objem ; čítač trubka musí mít dostatečně tenkého filmu okno pro toto. Vhodné jsou např. B. obvyklá zařízení pro detekci kontaminace . Pro přesná měření, například pro stanovení energetického spektra záření, musí být zdroj záření a detektor ve společném vakuu . K tomu se obvykle používá polovodičový detektor .

Interakce s hmotou

Alfa záření je nejjednodušší ionizující záření k ochraně .

Hloubka průniku, rozsah

Díky svému elektrickému náboji a relativně velké hmotnosti 4  u mají částice alfa jen velmi malou hloubku průniku do hmoty .

Kromě příslušné energie je rozsah v podstatě závislý na hustotě okolního média. Ve vzduchu za normálního tlaku je to přibližně 10 cm (při 10 MeV) a je nepřímo úměrné tlaku vzduchu. Ve vysoké atmosféře Země jsou to stovky kilometrů. Příčinou je tlaková závislost volné dráhy částic alfa, tj. H. vzdálenost mezi kolizními partnery ( molekulami ), na které částice alfa postupně přenášejí svoji kinetickou energii.

Ionizace částic alfa je hustší - tj. H. počet iontů, které částice generuje na jednotku délky své dráhy, je mnohem vyšší - než například u beta nebo gama záření . V oblačné komoře proto stopy generované alfa zářením vypadají kratší a silnější ve srovnání se stopami beta paprsků podobné energie. Hloubka penetrace částice alfa 5,5 MeV ve vodě nebo organickém materiálu je podle toho pouze asi 45 μm. K úplnému stínění alfa záření obecně stačí poněkud tlustší list papíru nebo několik centimetrů vzduchu.

Otevřený alfa spektrometr se vzorkem a detektorem (výše)

Biologický účinek

Alfa záření, které dopadá na lidské tělo zvenčí, je relativně neškodné, protože alfa částice díky své nízké hloubce pronikání převážně pouze pronikají do horních mrtvých vrstev kůže a zůstávají tam. Na druhé straně je alfa zářič, který je vtělen ( začleněn ) do organismu vdechováním nebo jiným způsobem, velmi škodlivý, protože jeho záření poškozuje živé buňky. Zejména když se alfa zářič hromadí v orgánu, dávka záření se koncentruje v malém prostoru a za určitých okolností má vliv na důležité buňky těla . Radiační váhový faktor pro alfa záření, byla nastavena na 20, i když je pouze 1 pro beta a gama záření. Pro stejný energetický vstup se předpokládá 20násobný škodlivý účinek pro alfa záření.

V radonové balneologii se předpokládá , že nízké dávky alfa záření mají léčivý účinek díky obsahu radonu v některých terapeutických lázních (např. Badgasteinu ).

Vzhledem k velké hmotnosti částice alfa dostává dceřiné jádro také znatelnou část energie uvolněné při rozpadu alfa. Toto objevili v roce 1909 Lise Meitner a Otto Hahn a odpovídá kinematice rozpadu dvou částic. Energie dceřiného jádra jsou až asi 200 keV. Díky zabudovaným alfa zářičům tak jádra zpětného rázu také přispívají k poškození tkáně.

Aplikace

Izotopová baterie

Plutonium pelety ( ²³⁸ Pu) svítí vlastním rozpadem

Alfa zářiče (hlavně transuranické prvky ) s relativně krátkým poločasem se mohou díky vlastnímu rozpadu alfa zahřát na červené teplo. To je možné, protože téměř všechny vysokoenergetické alfa částice produkované během jejich rozpadu jsou stále drženy ve svém nitru svými těžkými atomy a dávají jim svou kinetickou energii jako teplo. Pokud také generují malé záření gama a jejich poločas rozpadu (obvykle několik let až desetiletí) je dostatečně dlouhý, může být uvolněné teplo použito v radionuklidových bateriích k výrobě elektrické energie.

detektor kouře

Alfa zářiče se používají také v detektorech ionizačního kouře . Ty detekují kouř měřením vodivosti vzduchu ionizovaného paprsky alfa, protože částice kouře mění vodivost.

Hélium konečného produktu

Pokud alfa částice po mnoha srážkách s hmotou rozložily většinu své kinetické energie, jsou tak pomalé, že mohou zachytit elektrony . Tím se vytvoří helium z ušlechtilého plynu , zdaleka nejběžnější izotop helia, helium-4.

Hélium produkované z alfa záření emitovaného v zemském vnitřku difunduje relativně snadno minerály. V bublinách zemního plynu dosahuje koncentrací několika procent, takže jednotlivé zdroje zemního plynu lze také ekonomicky využít k výrobě helia.

Hélium v ​​atmosféře nadále stoupá kvůli své nízké hustotě; V nadmořských výškách mezi 700 a 1700 km je helium nejběžnějším plynem. Malá, ale již nezanedbatelná část jejích atomů dosáhne únikové rychlosti Země a navždy unikne zemskému gravitačnímu poli.

„Alfa paprsky“ z jiných zdrojů než radioaktivních

Ve fyzice se termín alfa částice obvykle používá k popisu jakéhokoli plně ionizovaného jádra helia-4, i když nepochází z radioaktivního rozpadu. Například asi 12% všech částic v galaktických kosmických paprscích jsou částice alfa. To není překvapující, protože helium je jedním z nejhojnějších prvků ve vesmíru. Tato část kosmických paprsků se však nikdy nedostane na zem.

Částice alfa lze také uměle vytvořit z hélia v iontovém zdroji . Pokud jsou v urychlovači částic, zrychluje se paprsek někdy podle toho nazývá Alpha jet .

Historie výzkumu

Alfa záření bylo první formou radioaktivity, která měla být detekována. Antoine Henri Becquerel ji objevil v roce 1896 zčernáním světle těsných balených fototisků solemi uranu . Další výzkum Marie Curie a Pierra Curieho vedl mimo jiné k izolaci produktů rozpadu uranu radia a polonia a k důkazu, že se jedná také o zářiče alfa. Za tento úspěch obdrželi tři vědci Nobelovu cenu za fyziku v roce 1903 .

V roce 1898 Ernest Rutherford ukázal, že různé typy ionizujícího záření lze rozlišit podle jejich různých penetračních schopností a vytvořil termíny α a β záření. V roce 1899 demonstrovali Stefan Meyer , Egon Schweidler a Friedrich Giesel diferenciaci prostřednictvím různých výchylek v magnetickém poli.

Pozorováním spektrálních čar během výboje plynu dokázal Rutherford v roce 1908 dokázat identitu alfa částic jako jádra helia.

V roce 1911 použil Rutherford pro své rozptylové experimenty paprsky alfa, které vedly k vytvoření Rutherfordova atomového modelu .

V roce 1913 založili Kasimir Fajans a Frederick Soddy věty o radioaktivním přemístění, které určují nuklid vznikající při rozpadu alfa .

Když paprsky alfa zasáhly atomová jádra dusíku, Rutherford byl schopen poprvé pozorovat přeměnu umělého prvku v roce 1919: kyslík byl vytvořen v jaderné reakci ¹⁴ N (α, p) ¹⁷ O nebo, přesněji řečeno,

${\ displaystyle _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} + {} _ {2} ^ {4} \ alpha \ to {} _ {\ 8} ^ {17} \ mathrm {O} + { } _ {1} ^ {1} \ mathrm {p}}$.

V roce 1928 našel George Gamow kvantově mechanické vysvětlení rozpadu alfa prostřednictvím tunelového efektu , viz také Gamowův faktor .

literatura

• Werner Stolz, radioaktivita. Základy - Měření - Aplikace , Teubner, 5. vydání, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .

Nukleární fyzika

• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik , Teubner, 6. vydání 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge : Jaderná fyzika. Úvod ; s 24 tabulkami, 89 cvičeními s podrobnými řešeními a krabicemi pro vysvětlení a historickým přehledem vývoje jaderné fyziky. Springer, Berlin 1996, ISBN 3-540-61236-X .
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro: Základy jaderné fyziky: Od jaderné struktury ke kosmologii , Springer, New York 2005, ISBN 0-387-01672-4 .

Historie výzkumu

• Milorad Mlađenović, Dějiny rané jaderné fyziky (1896–1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Radiační ochrana

• Hanno Krieger: Základy radiační fyziky a radiační ochrany . Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .
• Claus Grupen: Základní kurz radiační ochrany. Praktické znalosti pro zacházení s radioaktivními látkami , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin: Fyzika pro radiační ochranu , John Wiley & Sons, New York 2006, ISBN 0-471-35373-6 .

lék

• Günter Goretzki: Lékařské záření. Fyzikálně-technické základy , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr: Klinická radiační biologie-v kostce , Elsevier, Urban a Fischer, Mnichov 2006, ISBN 3-437-23960-0 .

webové odkazy

Wikislovník: Alfa záření  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Literatura o alfa záření v katalogu Německé národní knihovny
• „Slovník radiační ochrany“ na Jülich výzkumného střediska vysvětleno mnoho požadavků týkajících se ionizujícího záření (alfa, beta, gama záření, předpisy, radiační ochrany, atd).

Video

• Jednoduché vysvětlení „jeden a půl“

Individuální důkazy

1. ↑ Pokud není uvedeno jinak, informace o vlastnostech částic informačního pole jsou převzaty z publikace CODATA Task Group on Fundamental Constants : CODATA Recommended Values. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 4. července 2019 .  Čísla v závorkách označují nejistotu v posledních číslicích hodnoty; tato nejistota se udává jako odhadovaná směrodatná odchylka zadané číselné hodnoty od skutečné hodnoty.
2. ↑ Cristina Cozzini a kol., Detekce přirozeného? rozpad wolframu , Physical Review C (2004), předtisk .
3. ↑ Pierre de Marcillac a kol., Experimentální detekce alfa částic z radioaktivního rozpadu přírodního vizmutu , Nature 422, str. 876-878 (24. dubna 2003), tabulka výsledků .
4. ↑ Harvardské přírodní přednášky Demonstrace: Průnik α, β, γ a stínění. Zpřístupněno 20. února 2020 . 
5. ^ C. Grupen: Astroparticle Physics , Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2 , s. 78.
6. ^ Uranové záření a jím vyrobené elektrické vedení . In: Filozofický časopis . 5. epizoda, svazek 47, číslo 284, 1899, s. 116 ( doi: 10,1080 / 14786449908621245 ).
7. ^ Ernest Rutherford a T. Royds: Povaha částice α z radioaktivních látek. Phil. Mag. 17, 281-6 (1909) online .
8. ↑ George Gamow (1928): O kvantové teorii atomového jádra. Zeitschrift für Physik 51 , s. 204