Алфа-честичка

Од Википедија — слободната енциклопедија
(Пренасочено од Алфа честичка)
Прејди на: содржини, барај
Алфа честичка
Alpha Decay.svg
Состав 2 протони, 2 неутрони
Статистика Бозон
Симбол α, α2+, He2+
Маса

6,644657230(82)×10−27
 кг
[1]
4,001506466(49) u

3,727379508(44) GeV/c2
Спин 0[2]

Алфа-честичка — честичка составена од два протони и два неутрони свразни во честичка слична на јадрото на хелиум. Овие честички се добиваат при процесот на алфа-распаѓањето, но исто така може да се добијат и на други начини. Алфа-честичките се именувани по првата буква од грчката азбука, α. Симболот за алфа честички е α или α2+. Бидејќи тие се слични со хелиумот, може да се запишат и како He2+ или 4
2
He2+
, што пак претставува хелиумов јон со полнеж +2 (недостасуваат два електрони). Ако јонот се стекне со два електрони од неговото опкружување, алфа-честичките можат да се запишат како вообичаен (електронеутрален) хелиумов атом 4
2
He
.

Некои научници користат двојно јонизирани хелиумови јадра (He2+) и алфа-честички како поими за употреба при описот на честичките. Номенклатурата не е добро дефинирана, па оттука не сите високобрзински хелиумови јадра се сметаат за алфа-честички од стрна на научниците. Како и кај бета и гама зраци/честички, името што се користи за честичките, е близу поврзано со процесот на добивање и енергијата, но тие не се строго применети.[3] Па така поимот алфа-честичка може слободно да се користи кога станува збор за реакции на хелиумот во ѕвездите (алфа процеси), а воедно и како компоненти на космичките зраци. Повисоко енергетскиот вид на алфа-честички добиени при алфа-распаѓањето е чест производ на невообичаен резултат на нуклеарната фисија, наречена и тројна делба. Сепак, хелиумовите јадра добиени во забрзувачите (циклотрони, синхротони, и слично) постои мала веројатност да бидат наречени „алфа-честички“.

Алфа-честичките, како хелиумово јадро, имаат збирен спин еднаков на нула. Поради механизмот на нивното производство при стандарднoто алфа-радиоактивно распаѓање, алфа-честичките обично имаат кинетичка енергија од околу 5 MeV, и брзина која е скоро 5% од брзината на светлината. (Погледајте подолу во расправата за границите на овие бројки при алфа-распаѓањето.) Тие се високо јонизирачки облици на честично зрачење, и (кога како резултат на алфа радиоактивното распаѓање алфа радиоактивното распаѓање) имаат ниска длабочина на пенетрација. Тие се способни да се запрат на неколку сантиметри од воздух, или преку кожата. Сепак, т.н. дострел алфа честички од тројната делба се три пати повеќе енергични, и пенетрираат до три пати. Како што е наведено, јадра на хелиум, кои го формираат 10–12% од космичките зраци обично се и на многу повисока енергија од оние произведени од страна на процесите на нуклеарно распаѓање, и на тој начин се способни да бидат многу продорни и способни да напречат на човечкото тело и, исто така, многу метри густа цврста заштита, во зависност од нивната енергија. Во помала мера ова, исто така, важи и за многу јадра на високо-енергетски хелиум во продукција на честички акцелератори.

Кога изотопите кои емитуваат алфа-честички се апсорбираат, тие се далеку поопасни од нивната стапка на распаѓање,би предложиле, поради високата релативна биолошка ефикасност на алфа зрачењето,можат да предизвикаат биолошка штета, по навлегувањето на алфа-емитирачките радиоизотопи во живи клетки.[4]Апсорбирачките алфа емитирачки радиоизотопи (како трансураниди или актиниди) се во просек за околу 20 пати поопасни, а во некои експерименти и до 1000 пати поопасен од еквивалентната активност на бета емитувачки или гама емитувачки радиоизотопи.

Во компјутерската технологија, динамичната меморија за случаен пристап (ДРАМ) "дискретни грешки" се поврзани со алфа честички во 1978 година на Интел ДРАМ чипови.Ова откритие доведе до строга контрола на радиоактивни елементи во пакување на полупроводнички материјали, и проблемот во голема мера се смета дека ќе биде решен. .[5]

Извори на алфа честичките[уреди | уреди извор]

Алфа делба[уреди | уреди извор]

A physicist observes alpha particles from the decay of a polonium source in a cloud chamber
Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Alpha decay.

Најпознатиот извор на алфа честички е алфа распаѓањето на потешки (> 106 u атомска маса) атоми. Кога еден атом зрачи алфа честички во алфа распаѓањето, атомскиот масен број се намалува за четири поради загубата на четирите нуклеони во алфа честичката. Атомскиот број на атомот се намалува по точно две години, како резултат на губењето на два протони – атомот станува нов елемент. Примери за овој вид на нуклеарна трансмутација се кога ураниум станува ториум, или радиум станува радонов гас, поради алфа распаѓањето.

Алфа честичките обично се зрачат од сите поголеми радиоактивни јадра како што се ураниум, ториум, актиниум, и радиум, како и трансуранички елементи. За разлика од другите видови на распаѓање, алфа распаѓањето како процес мора да има минимална големина на атомското јадро кои ќе може да го издржи.Најмалото јадро кое треба временски да биде најдено да биде способно од алфа зрачењето се најлесните нуклиди на телириум (елемент 52), со масен број помеѓу 106 и 110. Процесот на алфа распаѓање понекогаш го остава јадрото во возбудена состојба, при што емисијата на гама зраците тогаш го отстранува вишокот на енергија.

Механизмот на производството на алфа распаѓање[уреди | уреди извор]

За разлика од бета распаѓањето,фундаменталните интеракции кои се одговорни за алфа распаѓањето се рамнотежа меѓу електромагнетната сила и нуклеарната сила. Алфа распаѓањето резултира од Кулонова одбивност[2] помеѓу алфа честички и остатокот од јадрото, така што и двете имаат позитивен електричен полнеж, но кој се држи под контрола од страна на нуклеарна сила. Во класичната физика, алфа честичките немаат доволно енергија да ја избегнат потенцијалната јама од јаката сила во јадрото (ова го вклучува ослободувањето на јаката сила да се искачи нагоре од една страна на изворот, што е проследено со електромагнетна сила која предизвикува одбивно оттурнување на другата страна).

Сепак, квантноto тунелирање дозволува алфа честичките да се ослободат, иако тие немаат доволно енергија за надминување на нуклеарната сила.Ова е дозволено од страна на брановата природа на материјата, која им овозможува на алфа честичките да поминат дел од времето во регионот подалеку од јадрото, така што потенцијалот од одбивни електромагнетни сили целосно да го задоволува привлекувањето на нуклеарната сила. Во тој момент, алфа честичките може да избегаат,а во квантната механика, по извесно време, тие навистина ќе избегаат.

Тројна фисија[уреди | уреди извор]

Особено енергичните алфа честички кои се добиени од нуклеарните процеси се произведуваат во релативно ретките (по еден во неколку стотини) процеси на нуклеарната фисија од тројната фисија. Во овој процес, наместо две вообичаени се добиени три наелектризинарани честички, честички со најмала јонизирачка моќ (90% веројатност) се алфа честички. Овие алфа честички се нарекуваат "алфа честички со голем дострел", и имаат енергија од 16 MeV, тие се со далеку повисока енергија отколку што некогаш произведено од алфа распаѓањето. Тројната фисија се случува и во неутронска индуцирана фисија (нуклеарната реакција што се случува во нуклеарниот реактор), а исто така и кога фисилните и делливи актиниди нуклиди (односно, тешки атоми способни за фисија) подложат на спонтана фисија како форма на радиоактивното распаѓање. Во двете индуцирани и спонтани фисии, повисоката енергија достапна во тешките јадра резултира во алфа честички со голем дострел кои се на повисока енергија, отколку оние од алфа распаѓањето.

Ацелатори[уреди | уреди извор]

Енергетските хелиум јадра може да бидат произведени од страна на циклотрони, синхотрони, и други честички акцелератори, но тие обично не се нарекуваат "алфа честички."

Соларни основни реакции[уреди | уреди извор]

Како што е наведено, хелиумот може да учествува во нуклеарните реакции во ѕвездите, а повремено, историски тие биле нарекувани како алфа реакции (види на пример троен алфа процес).

Космички зраци[уреди | уреди извор]

Покрај тоа, хелиумските јадра со многу висока енергија, понекогаш се нарекуваат и алфа честички кои сочинуваат околу 10-12% од космичките зраци. Механизмите на производство на космичките зраци и понатаму се испитуваат.

Енергија и апсорпција[уреди | уреди извор]

Енергијата на алфа честичката емитирана при алфа распад благо зависи од полуживотот на емисиониот процес, со редици разлики во величината на полу-животот поврзани со енергетски промени од помалку од 50% (погледајте алфа распаѓање).

Енергијата на алфа честичките кои се емитирани варира, алфа честичките со повисока енергија се емитирани од поголемите јадра, но повеќето алфа честички имаат енергија од 3 до 7 MeV (мега-електрон-волти), што одговара соодветно на многу долг и исклучително краток полуживот од алфа-емитирачките нуклиди.

Оваа енергија е значајна количина на енергија за една честичка, но нивната висока маса значи дека алфа честичките имаат помал број на вртежи (со типична кинетичката енергија од 5 MeV; брзината е 15,000 km/s, што е 5% од брзината на светлината) од било кој друг заеднички тип на радијација (β честички, неутрони, итн.)[6] Поради нивната голема маса, алфа честичките лесно се апсорбираат од страна на материјалите, и тие можат да патуваат само неколку сантиметри во воздух. Тие може да се апсорбираат од тенка хартија или од надворешните слоеви на човечката кожа (околу 40 микрометри,што е еквивалентно на неколку клетки длабоко).

Биолошки ефекти[уреди | уреди извор]

Шаблон:Основни

Поради краткиот опсег на апсорпција и неможноста за пробивање на надворешните слоеви на кожата, алфа честичките во принцип не се опасни по живот, освен ако изворот е проголтан или вдишан, во кој случај тие стануваат исклучително опасни.[7] Поради оваа висока маса и силна апсорпција, ако алфа-емитирачките радионуклиди навлезат во телото (се вдишат, проголтаат или инјектираат или навлезат при употреба на Торострат за високо-квалитетните рентгенски слики од пред 1950 година), алфа зрачењето е најдеструктивна форма на јонизирачко зрачење. Тоа е најсилно јонизирачко зрачење и во доволно големи дози може да предизвика некои симптоми на труење со радијација. Се проценува дека хромозомското оштетување од алфа честичките е 10-1000 пати поголемо (просечно 20 пати) од она предизвикано од иста количина бета или гама зрачење. Се претпоставува дека моќниот алфа емитер полониум-210 (еден милиграм 210Po емитира онолку алфа честички во секунда колку и 4.215 грама на 226Ra) предизвикува рак на белите дробови и рак на мочниот меур, преку пушењето тутун.[8] 210 Полониумот бил употребен за да се убие рускиот дисидент и поранешен припадник на ФББ, офицерот Александар Литвиненко во 2006 година.[9]

Историја на откривање и употреба[уреди | уреди извор]

Алфа-зрачењето се состои од јадра на хелиум-4 кои лесно се впииваат во лист хартија. Бета-зрачењето, кое се состои од електрони го запира алуминиумската плоча. Гама-зрачењето се впива на крајот кога ќе навлезе во густ материјал. Оловото добро го впива гама-зрачењето, поради неговата густина.
Алфа-честичка одбиена од магнетно поле
Дисперзија на алфа-честички на тенка метална плочка

Во 1899 и 1900 г. физичарите Ернест Радерфорд (кој работел на универзитетот Мекгил во Монтреал, Канада) и Пол Вилард (кој работел во Париз) го поделиле зрачењето на три вида, подоцна именувани алфа, бета и гама од страна на Радерфорд, врз основа на продорноста во предметите и девијациите од магнетното поле.[10] Алфа зраците беа дефинирани од страна на Радерфорд како зрачење со најмала продорна моќ низ обични предмети.

Работата на Радерфорд вклучува и мерења на соодносот на масата на алфа честичките и нивниот полнеж, што го доведе до хипотезата дека алфа честичките се двојно наелектризирани хелиум јони (подоцна се покажа дека се голи хелиумови јадра).[11] Во 1907, Ернест Радерфорд и Пол Вилард конечно докажаа дека алфа честичките навистина се хелиумови јони.[12] За таа цел, тие дозволиле алфа честички да поминат низ тенкиот стаклен ѕид на евакуирана цевка, при што во цевката се заробиле голем број од хипотетичките хелиумови јони. Тие предизвикале појава на електрична искра во цевката, при што се формирал „дожд“ од електрони, кои заедно со јоните формирале неутрални атоми гас. Подоцнежна студија на спектарот на резултантниот гас покажа дека гасот е хелиум и дека алфа честичките се навистина хипотетичките хелиумови јони.

Бидејќи алфа-честичките ги има во природата, а може да имаат енергија доволно висока за да учествуваат во нуклеарни реакции, со нивното проучување се дошло до многу од првичните сознанија во нуклеарната физика. Радерфорд користел алфа-честички кои се емитираат од радиум бромид со цел да ги посочи суштинските недостатоци на Томсоновиот модел на атомот. Во експериментот на Радерфорд со златна фолија, извршен од страна на неговите студенти Ханс Гајгер и Ернест Марсден, тенок зрак од алфа честички е пуштен да помине низ многу тенка златна фолија (од неколку стотици атоми). Алфа честичките биле детектирани на екран од цинк сулфид, кој емитува блесок на светлина при судирот со алфа честички. Радерфорд претпоставил дека кога Томсоновиот атомски модел би бил точен, позитивно наелектризираните алфа-честички ќе бидат само малку отклонети, ако и воопшто, од предвидениот дисперзиран позитивен полнеж.

Се покажало дека некои од алфа-честичките се отклониле за многу поголеми агли отколку што се очекувало, а некои дури и речиси директно се одбиле назад. Иако повеќето од алфа-честичките се однесувале онака како што се очекувало, Радерфорд дал мислење дека неколку честички кои се отклонети се слични на фрлањето петнаесет инчна школка кон тенок лист хартија од кој школката ќе се одбие, со што повторно би се потврдила точноста на Томсоновата теорија за атомот.Се утврдило дека позитивниот полнеж на атомот бил сконцентриран во мала област во неговиот центар, со што позитивниот полнеж бил доволно густ за да ги одврати сите позитивно наелектризирани алфа -честички кои дошле во близина на она што подоцна било наречено јадро.

Забелешка: Пред ова откритие, не било познато дека алфа-честичките се всушност атомски јадра, ниту пак се знаело за постоењето на протоните и неутроните. По ова откритие, моделот на Џ.Џ.Томсон бил напуштен, а експериментот на Радерфорд довел до создавање на познатиот Боров модел на атомот (именуван по Нилс Бор), а подоцна и на современиот браново-механички модел на атомот.

Енергетската загуба (Брегова крива) во воздухот на вообичаените алфа-честички кои се емитираат преку радиоактивното распаѓање.
Трагата на една алфа-честичка добиена од нуклеарниот физичар Волфхарт Вилимцик во својата искричава комора специјално направена за откривање на алфа-честички.

Радерфорд, користејќи ги алфа честичките, во 1917 година случајно дошол до сознание за нешто што подоцна било наречено насочена јадрена трансмутација од еден елемент на друг. За трансмутацијата од еден во друг елемент како резултат на природното радиоактивно распаѓање се знаело уште од 1901 година, но кога Радерфорд проектирал алфа-честички од алфа-распаѓање во воздухот, тој открил дека се произведува нов тип на зрачење - од водородните јадра, кои Радерфорд ги именувал протони. Понатамошните експерименти покажале дека протоните потекнувале од азотната компонента на воздухот, а споменатата реакција претставувала процес на трансмутација на азотот во кислород:

14N + α → 17O + p 

Ова е првата откриена јадрена реакција.

На сликата на десна страна: Според Бреговата крива за губиток на енергија, очигледно е дека алфа-честичките губат навистина повеќе енергија на крајот на трагата.[13]

Анти-алфа честички[уреди | уреди извор]

Во 2011, членовите на меѓународната СТАР соработка користејќи го Релативистичкиот судирач на тешки јони во Брукхејвенската национална лабораторија при одделот за енергија на САД каде бил откриен антиматериски сродник на јадрото на хелиум, кој е познат како анти-алфа. Нивниот резултат бил објавен на 24 април, 2011 година во списанието Nature.[14] При експериментот биле употребени златни јони кои се движеле речиси со брзина на светлината и се судирале создавајќи ја античестичката.[15]

Примена[уреди | уреди извор]

  • Некои детектори на чад содржат мала количина на алфа-оддавачот америциум-241. Алфа- честичките го јонизираат воздухот на мали растојанија. Преку јонизираниот воздух може да се пренесе и слаба струја. Честичките од чадот кои се наоѓаат во јазот го намалуваат протокот на струјата, активирајќи го алармот. Изотопот е крајно опасен ако се вдише или проголта, но опасноста е минимална, ако изворот се чува затворен. Многу општини имаат воспоставено програми со цел да се соберат и безбедно складираат старите детектори за чад, односно да се отстранат од вообичаениот тек на отпадот.
  • Алфа-распаѓањето може да се искористи и како извор на енергија за радиоизотопен термоелектричен генератор кој би се користел кај вселенските сонди и срцевите пејсмејкери. Начинот за заштита од алфа-распадите е многу полесен од оние на другите видови на радиоактивно распаѓање. Плутониум-238, е извор на алфа-честички, а за да се заштитиме потребни се само 2,5 mm на штит изработен од олово.
  • Статичките отстранувачи обично користат полониум-210, алфа-оддавач, за да го јонизираат воздухот, дозволувајќи му на „статичкиот држач“ побрзо да да нго распредели јонизираниот воздух.
  • Истражувачите се обиделе да ја искористат штетноста на алфа-оддавачките радионуклиди во внатрешноста на телото, преку насочување на мали количества кон туморот. Алфа-честичките го оштетуваат туморот и го запираат неговиот раст, додека нивната мала продорност го спречува штетното зрачење на околните здрави ткива. Овој вид на зрачна терапија врз ракот се нарекува незаштитена радиотерапија.

Алфа-зрачење и RAM грешки[уреди | уреди извор]

Во 1978 година во компјутерската технологија, динамичната меморија за случаен пристап (ДРАМ) се појхавувале „мали грешки“ чии предизвикувач биле алфа-честичките во ДРАМ чиповите на Интел. Ова откритие доведело до строга контрола за присуство на радиоактивни елементи во пакувањата на полупроводничките материјали, со што се смета дека е надминат проблемот.[5]

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. „CODATA Value: маса на алфа честичките“. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mal. конс. 15 септември 2011 г. 
  2. 2,0 2,1 Krane, Kenneth S. (1988). Вовед во нуклеарна физика. John Wiley & Sons. стр. 246–269. ISBN 0-471-80553-X. 
  3. Darling, David (2001). Алфа честичка. „Encyclopedia of Science“. http://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/alphapart.html. конс. 7 декември 2010 г. 
  4. Little, John B.; Kennedy, Ann R.; McGandy, Robert B. (1985). Effect of Dose Rate on the Induction of Experimental Lung Cancer in Hamsters by α Radiation. „Radiation Research“ том  103 (2): 293. doi:10.2307/3576584. ISSN 0033-7587. 
  5. 5,0 5,1 May, T. C.; Woods, M. H. (1979). Алфа-честички индуцирани од мали грешки во динамичната меморија. „IEEE Transactions on Electron Devices“ том  26 (1): 2–9. doi:10.1109/T-ED.1979.19370. 
  6. N.B. Гама зраците се движат со брзина на светлината (c). Бета честичките многу често се движат со голема фракција c, и надминуваат 0.5 c кога нивната енергија е > 64 keV. Неутронската брзина од нуклеарните реакции во опсег од околу 0.06 c за фисија колку што е 0.17 c .
  7. Christensen DM, Iddins CJ, Sugarman SL (February 2014). Ionizing radiation injuries and illnesses. „Emerg Med Clin North Am“ том  32 (1): 245–65. doi:10.1016/j.emc.2013.10.002. PMID 24275177. 
  8. Radford, Edward P.; Hunt, Vilma R. (1964). Polonium-210: A Volatile Radioelement in Cigarettes. „Science“ том  143 (3603): 247–249. doi:10.1126/science.143.3603.247. PMID 14078362. Bibcode1964Sci...143..247R. 
  9. Cowell, Alan. „Radiation Poisoning Killed Ex-Russian Spy“, „The New York Times“, 24 ноември 2006 (конс. 15 септември 2011 г).
  10. Радерфорд ги истакнува и ги именува како α и β зраци на страна 116 од: Е. Радерфорд (1899) "Ураниумското зрачење и електричната спроводливост произведена од истите," Филозофско списание, Серија 5, vol. 47, бр. 284, страни 109-163. Рдерфорд ги нарекол γ здраци на страна 177 во: Е. Радерфорд (1903) "Магнетните и електрични девијацијии на лесно апсорбираните зраци на радиум," Филозофски магазин, Серија 6, vol. 5, бр. 26, страни 177-187.
  11. Hellemans, Alexander; Bryan Bunch (1988). The Timetables of Science. New York, New York: Simon and Schuster. стр. 411. ISBN 0671621300. 
  12. E. Rutherford and T. Royds (1908) "Spectrum of the radium emanation," Philosophical Magazine, Series 6, vol. 16, pages 313-317.
  13. Magazine "nuclear energy" (III/18 (203) special edition, Volume 10, Issue 2 /1967.
  14. . 473. ст. 353–6. doi:10.1038/nature10079. PMID 21516103. Bibcode2011Natur.473..353T. . Исто така погледајте Ератум. 475. ст. 412. doi:10.1038/nature10264. 
  15. „Антихелиум-4: Физичарите постигнуваат нов рекорд за откривање на најтешкита антиматерија“. PhysOrg. 24 април 2011. http://www.physorg.com/news/2011-04-antihelium-physicists-nab-heaviest-antimatter.html. конс. 15 ноември 2011 г. 

Дополнителни информации[уреди | уреди извор]

Надворешни врски[уреди | уреди извор]