А́льфа-части́нка (α-частинка) — позитивно заряджена частинка, що складається з 2 нейтронів і 2 протонів, тобто є ядром атома гелію-4 (4He2+).
Альфа-частинки мають у своєму складі два протони та два нейтрони та є подвійними магічними ядрами, тобто відзначаються особливою стабільністю. Вони є одним з продуктів спонтанного розпаду радіоактивних ізотопів, таких як радій чи торій. Потік α-частинок іноді називають α-променями. Альфа-розпад трансформує один хімічний елемент на інший, знижуючи атомний номер на два та атомну масу на чотири. Кінетична енергія альфа-частинок, які утворюються під час альфа-розпаду, зазвичай становить кілька МеВ. При зіткненнях з атомами середовища новоутворена альфа-частинка сповільнюється, і, урешті-решт, приєднує два електрони, перетворюючись на нейтральний атом гелію.
Джерела альфа-частинок
Альфа-розпад
Найпоширеніше джерело альфа-частинок — нестабільні важкі ізотопи, що розпадаються через альфа-канал. Альфа-розпад відбувається за рахунок двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і сильної. Внаслідок кулонівських сил альфа-частинка відштовхується від ядра, і, за відсутності інших чинників, залишила б його за приблизно 10−23 секундиАльфа-распад , але сильна взаємодія, навпаки, притягує її до ядра, причому зі значно більшою силою. Сильна взаємодія має обмежений радіус, тому якщо альфа-частинка опиниться на деякій відстані від ядра, то вона залишає його й розганяється кулонівськими силами до великої швидкості. Оскільки у квантовій механіці положення частинки є невизначеним, вона може тунелювати через потенційний бар'єр з ймовірністю, яка залежить від висоти цього бар'єру та зменшується з ростом заряду ядра. Це пов'язано з тим, що далекодійні електромагнітні сили відштовхують частинку від кожного протона ядра, тоді як близькодійні ядерні сили притягують її лише до найближчих нуклонівАльфа-распад . Через це, альфа-розпад є більш характерним для важких ядер.
При альфа-розпаді виділяється енергія
де M — маси початкового ядра, ядра, з кількістю протонів і нейтронів меншою на 2, і ядра альфа-частинки відповідно. Якщо Q > 0, то реакція стає енергетично вигідною, а отже, альфа-частинка має шанс подолати потенційний бар'єр і вийти з ядраальфа-распад . Інший спосіб представити цю умову – середня енергія звʼязку на нуклон у ядрі є меншою ніж 7 МеВ (енергія звʼязку на нуклон в альфа-частинці). Найлегший ізотоп, для якого альфа-розпад спостерігається з суттєво ненульовою ймовірністю, це телур-104. Легкі ізотопи, наприклад берилій-8, також утворюють альфа-частинки при розпаді, проте розпад таких ядер часто відносять не до альфа-розпадів, а до поділу складних ядерАльфа-распад. Кулоновский и центробежный барьеры. . Кінетична енергія альфа-частинок варіюється від 1,83 МеВ () до 11,65 МеВ (ізомер ).
Згідно з законом Гейгера–Неттола період напіврозпаду експоненційно залежить від енергії альфа-частинки, що утворюється.
Відомо близько 300 ізотопів, у яких спостерігається альфа-розпад. Найбільш практично важливими (тобто, джерелами достатньо інтенсивного альфа-випромінювання) вважаються: Торій-228, 229, 230, 232, Уран-232, 233, 234, 235, 236, 238, Плутоній-238, 239, 240, , , , , , , , Каліфорній-249, 250, 251, 252, і , Америцій-241 і , Полоній-210, , , Радій-226, Актиній-227, , Нептуній-237ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ
Потрійний розпад Потрійний розпад — це рідкісна форма поділу ядра, як спровокованого тепловим нейтрономTriton and alpha emission in the thermal-neutron-induced ternary fission of U233, U235, Pu239, and Pu241 так і спонтанногоα-accompanied cold ternary fission of Pu238–244 isotopes in equatorial and collinear configuration. У кількох випадках на тисячу ядро важкого елемента може розпастися на три або більше частини. У таких реакціях в 90 % випадків одним з продуктів розпаду є альфа-частинкаTernary fission with the emission of long-range α particles in fission of the heaviest nuclei. Кінетична енергія альфа-частинок, що виділяються при потрійному розпаді, значно вища за енергію продуктів альфа-розпаду і в середньому становить 16 МеВTernary Fission Process .
Космічні промені Альфа-частинки становлять дещо менше ніж 10 % всіх космічних променів, а серед частинок, енергія яких вища за 1 ГеВ, — 13 %cosmic ray. Природа виникнення космічних променів досі не є до кінця зрозумілою, оскільки галактичне магнітне поле викривляє їх траєкторії, і неможливо визначити, в якому саме напрямку знаходилося їхнє джерело. Найбільш ймовірним механізмом виникнення високоенергетичних (понад сотні МеВ) космічних променів є вибухи надновихCosmic ray sources and detectors. Частинки низької енергії випромінюються звичайними зорями, зокрема Сонцем (сонячний вітер)Are Low Energy Cosmic Rays Produced Inside Our Galaxy, The Milky Way?.
Іонізація гелію Загалом, альфа-частинки є ядрами гелію-4, і можуть бути отримані іонізацією, наприклад, в прискорювачах. Проте зазвичай цей термін використовується для частинок, які утворюються в ході ядерних реакцій, тоді як позбавлений електронів атом гелію називають двічі іонізованим гелієм і позначають He2+Physical Sensors: Radiation Sensors.
Фізичні властивості Альфа-частинка є сферично-симетричним об'єктом, має зарядовий радіус приблизно 1,67824 фемтометрів і заряд +2Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions.
Маса альфа-частинки становить 3,727 ГеВ, що відповідає 4,0015 а. о. м. або 6,645×10−27 кілограмівАльфа-частица .
Для розділення альфа-частинки на складники, потрібно витратити 28,29688 МеВ (≈7,08 МеВ на нуклон), тобто альфа-частинка є дуже сильно зв'язаною й стабільною.
Спін і магнітний момент альфа-частинки дорівнюють нулю, тобто альфа-частинка належить до бозонів.
Історія
Відкриття Після відкриття 1896 року Антуаном Беккерелем радіоактивності, а 1898 року П'єром і Марією Кюрі радію, фізики отримали потужні джерела радіоактивного випромінювання, що стало поштовхом до подальших дослідженьFROM THE DISCOVERY OF RADIOACTIVITY TO THE PRODUCTION OF RADIOACTIVE BEAMS.
У 1899–1900 роках незалежно один від одного Ернест Резерфорд в Монреалі та Поль Віллар у Парижі класифікували радіоактивне випромінювання на три типи за його відхиленням у магнітному полі та проникною здатністю.О физиках и физике . Резерфорд назвав альфа-променями випромінювання з найменшою проникною здатністю та позитивним зарядом; два інші типи отримали назву бета- і гамма-випромінювання. Він також визначив відношення маси альфа-частинки до її заряду і, спираючись на ці дані, висловив припущення, що вона є двічі іонізованим атомом гелію. 1908 року Резерфорд підтвердив це припущення, показавши, що альфа-випромінювання супроводжується появою атомів гелію. Для цього радіоактивне джерело помістили в скляну ампулу з дуже тонкими стінками, що пропускали альфа-частинки. Цю ампулу розмістили всередині другої, із товстішими стінками. Через деякий час після початку експерименту за допомогою спектроскопії було встановлено, що у зовнішній ампулі накопичився гелійWhat is the Alpha Particle? .
Експеримент з золотою фольгою
Продовжуючи досліджувати альфа-частинки, 1911 року Резерфорд разом з Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом провели славнозвісний експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги. Золота фольга завтовшки менше мікрометра (за такої товщини, у фользі було лише кілька сотень шарів атомів) обстрілювалася альфа-частинками, що вилітали з радієвого джерела, а після проходження через фольгу замірялися кути, на які альфа-частинки розсіювалися. Під час цього експерименту було відкрито, що хоча зазвичай при прольоті через тонкий шар речовини альфа-частинка лише відхиляється на невеликий кут, проте зрідка (приблизно в одному випадку на 8000) вона відбивається назад. Ці експерименти врешті-решт призвели до відкриття сучасних уявлень про будову атома: масивне й невелике атомне ядро в центрі та електрони на великій відстані навколо нього. До цих експериментів найбільш поширеним уявленням про будову атома була модель Томпсона, або пудингова модель: позитивно заряджений атом, в якому, немов родзинки в кексі, сидять електрони. Стара модель не могла пояснити поведінку альфа-частинок, бо легкий електрон не міг відбити важку альфа-частинку, а жодних інших структурних елементів модель не передбачалаОпыт Резерфорда .
Ядерні реакції Трансмутація елементів під час радіоактивного розпаду була відома ще з 1901 року, але 1917 року Резерфорд відкрив й інший тип перетворень. Випускаючи альфа-частинки в повітря він помітив, що це призводить до виникнення іонів водню. Пізніше було показано, що причиною цього є реакція альфа-частинок з азотом, яка породжувала невідомий на той час ізотоп кисню й протонRutherford, transmutation and the proton: 14N + α → 17O + p Це було першою відкритою ядерною реакцієюTransmutation of the Elements .
Антиальфа-частинка Хоча антигелій-3 був отриманий ще 1971 рокуObservation of antihelium-3, антиальфа-частинку змогли створити лише 2011 року зусиллями вчених Брукгейвенської національної лабораторії.
Магнітний альфа-спектрометр розташований на МКС, проаналізував 250 мільярдів космічних променів. Якби хоча б один з них виявився антиальфа-частинкою, це був би сильний аргумент на користь наявності значних скупчень антиматерії у Всесвіті, оскільки утворення такої структури в реакціях звичайної матерії дуже малоймовірноantimatter. Наразі було зафіксовано декілька кандидатів, але остаточного підтвердження, що це була саме антиальфа-частинка, а не помилка детекції — немаєCosmic-Ray Propagation Models Elucidate the Prospects for Antinuclei Detection.
Взаємодія з речовиною
Завдяки значній кінетичній енергії альфа-частинки дуже інтенсивно взаємодіють з атомами середовища. Довжина їхнього пробігу пропорційна кубу початкової швидкості або четвертому ступеню швидкості для частинок з початковою енергією більшою за 11 МеВ, але не перевищує кількох міліметрів у конденсованих середовищах і кількох сантиметрів у повітріВзаимодействие альфа-частиц с веществом .
Пружне розсіяння Пружним розсіянням називається явище, при якому сумарна кінетична енергія після зіткнення не змінюється, а лише відбувається перерозподіл енергії й імпульсу між частинками.
Альфа-частинки практично не розсіюються на електронах через велику масу: максимальне відхилення альфа-частинок при розсіянні на електроні становить тридцять кутових секунд. Розсіяння на ядрі описується формулою Резерфорда: , де N — кількість частинок, що падають на одиницю площі мішені за 1 секунду; n — об'ємна концентрація ядер; d — товщина мішені; Z — заряд ядра-розсіювача; z, m і v — відповідно заряд, маса й швидкість частинки. Ця формула побудована з урахуванням лише кулонівських сил, і тому не враховує різноманітні квантові ефекти. Квантові ефекти враховано у формулі Мотта.
Непружне розсіяння на електронах
У результаті непружного розсіяння електрон вибивається з атома, який іонізується, а сама альфа-частинка втрачає частину енергії. Через заряд +2, велику масу і запаси кінетичної енергії, під час пробігу альфа-частинка активно іонізує атоми на своєму шляху.
Інтенсивність іонізації, створюваної альфа-частинкою, нелінійно залежить від її енергії. Цю залежність демонструє крива Бреґґа. Найінтенсивніше альфа-частинка втрачає енергію незадовго до зупинки.
Через інтенсивну взаємодію, альфа-частинки швидко втрачають енергію, тому їхня проникна здатність дуже мала: щоб їх зупинити, достатньо листка паперу або верхнього шару ороговілого епідермісу. Середня довжина пробігу альфа-частинок залежить від їхньої енергії та густини середовища: в повітрі це 4 і 7 сантиметрів для енергії 5,3 і 7,7 МеВ відповідно. В папері пробіг частинок таких енергій це 50 і 92 мікрометри, а в воді (або м'яких тканинах людини) — 40 і 72 мікрометриAttenuation range of particle radiations (alpha and beta) in human skin by Monte Carlo simulation.
У напівпровідникових приладах наслідки влучання альфа-частинок призводять до . Це відкриття призвело до суворого контролю радіоактивних елементів в упаковці напівпровідникових матеріалів.
Непружне розсіяння на ядрах