Альфа распад что это

Что такое альфа-распад?

Британский физик Эрнест Резерфорд впервые описал альфа-частицу в 1899 году. Он также различал и называл альфа-и бета-излучение. Однако только в 1928 году Джордж Гамов решил теорию альфа-распада с помощью квантового туннелирования.

В этой обзорной статье мы объяснили, почему происходит альфа-распад, что на самом деле происходит в этом процессе, каковы его первичные источники и имеет ли он какие-либо неблагоприятные последствия. Но давайте начнем с основ.

Что такое альфа-распад?

Поскольку альфа-частица содержит массу в четыре единицы и два положительных заряда, ее выброс из ядра приводит к образованию дочернего ядра с массой на четыре единицы меньше и атомным номером на две единицы меньше (чем у ее родительского ядра).

Уравнение

В ядерной физике формула или уравнение альфа-распада могут быть записаны как:

В ядерном уравнении альфа-частица обычно показывается без учета заряда (однако, она содержит заряд +2e).

Альфа-распад происходит только в тяжелых нуклидах. Теоретические расчеты показывают, что этот тип распада может происходить в ядрах, немного более тяжелых, чем никель (атомное число 28). В реальном мире, однако, он был обнаружен только в нуклидах, значительно более тяжелых, чем никель.

Теллур (атомное число 52) является самым легким элементом, чьи изотопы (от 104 Те до 109 Те), как известно, претерпевают альфа-распад. Однако есть некоторые исключительные случаи, такие как изотоп бериллия ( 8 Be), который распадается на две альфа-частицы.

Примеры

Наиболее популярным примером такого рода ядерной трансмутации является распад урана. Уран-238 (самый распространенный изотоп урана, встречающийся в природе) распадается с образованием тория-234.

Как видите, сумма индексов (масс и атомных номеров) остается одинаковой с каждой стороны уравнения.

Торий также становится радием

Нептуний превращается в протактиний

Платина становится Осмием

Гадолиний становится самарием

Итак, три вещи происходят в альфа-распаде:
1. Тяжелое (родительское) ядро ​​распадается на две части.
2. Альфа-частица выбрасывается в пространство.
3. У оставшегося (дочернего) ядра его массовое число уменьшено на четыре, а его атомное число уменьшено на два.

Почему происходит альфа-распад?

Однако, когда общая разрушительная электромагнитная сила преодолевает ядерную, атомное ядро распадается на две или более частей. Исследования показывают, что ядро, содержащее более 209 нуклонов, настолько велико, что электромагнитное отталкивание между его протонами часто побеждает притягивающую ядерную силу, удерживающую его.

Это происходит потому, что сила ядерной силы быстро падает за пределы одного фемтометра, в то время как электромагнитная сила сохраняет такую ​​же силу на больших расстояниях.

Классическая физика не позволяет альфа-частицам избегать сильных ядерных сил внутри ядра. Квантовая механика, однако, позволяет альфа-частицам убегать через квантовое туннелирование, даже если они не обладают достаточной энергией для преодоления ядерной силы.

Основной источник альфа-распада

Альфа-частицы в основном испускаются более тяжелыми атомами (атомный номер> 106), такими как торий, уран, радий и актиний. Фактически, почти 99 процентов гелия, генерируемого на Земле, происходит от альфа-распада подземных минералов, состоящих из тория или урана.

Некоторые искусственные изотопы испускают альфа-частицы: например, радиоизотопы кюрия, америция и плутония. Они создаются в ядерном реакторе путем поглощения нейтронов различными изотопами урана.

Высокоэнергетические ядра гелия также могут быть искусственно созданы ускорителями частиц, такими как синхротрон и циклотроны. Однако их обычно не называют альфа-частицами.

Это опасно?

Как правило, выброшенные альфа-частицы имеют кинетическую энергию 5 Мегаэлектронвольт, и они движутся со скоростью почти 5 процентов скорости света. Поскольку они несут + 2e электрический заряд и имеют большую массу, они могут легко взаимодействовать с другими атомами и терять свою энергию.

Хотя альфа-распад является сильно ионизирующим излучением частиц, он имеет низкую глубину проникновения. Движение вперед альфа-частиц может быть остановлено куском бумаги, толстым слоем воздуха или внешними слоями кожи человека.

Уровень проникновения альфа, бета и гамма частиц

Они не опасны для жизни, если источник не вдыхается, не проглатывается и не вводится. Если радиоактивное вещество, разлагающее альфа-частицу, попадает в организм, оно может быть в 20 раз опаснее гамма-излучения. Большие дозы могут привести к радиационному отравлению. Полоний-210, сильный альфа-излучатель, играет ключевую роль при раке мочевого пузыря и легких.

Хотя альфа-частицы не могут проникнуть сквозь кожу человека, они могут повредить роговицу. Некоторые альфа-источники также сопровождаются бета-излучающими ядрами, которые, в свою очередь, сопровождаются испусканием гамма-фотонов.

Радон является одним из крупнейших источников дозы облучения населения. При вдыхании некоторые его частицы прикрепляются к внутренней оболочке легкого и в конечном итоге повреждают клетки в ткани легкого.

Применения

Принцип работы детектора дыма

Радиоактивные источники альфа-частиц используются в детекторах дыма. Америций-241, например, выделяет альфа-частицы, которые ионизируют воздух внутри детектора. Когда дым попадает в оборудование, он поглощает излучение, вызывая тревогу.

Альфа-частицы из полония-210 используются для устранения статического электричества из оборудования. Альфа-частицы притягивают свободные электроны, уменьшая потенциал местного статического электричества. Этот метод широко применяется на бумажных фабриках.

Рентгеновская спектроскопия альфа-частиц используется для определения состава пород и грунтов. НАСА использовало этот процесс на Марсовом разведывательном ровере для сбора криволинейных данных, данных о погоде и активности воды на Марсе.

Гранула из 238 PuO 2, используемая в РТГ для космических миссий. Пеллета светится красным цветом из-за тепла, генерируемого альфа-распадом | Изображение предоставлено: Викимедиа

Космические агентства используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) для питания различных космических аппаратов и спутников, включая «Вояджер 1/2» и «Пионер 10/11». Эти генераторы используют плутоний-238 для работы в качестве долговременной батареи. Плутоний-238 испускает альфа-излучение, в результате чего образуется тепло, которое преобразуется в электричество.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы использовать разрушительные источники альфа-излучения для лечения рака. Они пытаются направить небольшое количество альфа-частиц в опухолевые клетки. Поскольку эти частицы имеют небольшую глубину проникновения, они могут остановить рост опухоли или, возможно, уничтожить ее, не затрагивая окружающие здоровые ткани. Этот вид лечения известен как негерметичная лучевая терапия.

Источник

Альфа-распад: что это такое и что происходит в процессе альфа-распада

Содержание:

Квантовая физика – наиболее непонятный для человеческого сознания раздел науки о законах природы. Микромир абсолютно не такой, как окружающий, его элементы ведут себя иначе, процессы в них протекают на порядки быстрее. Атомные ядра одних химических элементов могут существовать сколь угодно долго, других – самопроизвольно превращаются в ядра иных элементов. Этот процесс называется радиоактивностью.

Понятие радиоактивности

В зависимости от типа излучаемых частиц различают несколько видов изменения состава ядер: альфа, бета, гамма.

Альфа-распад – это процесс самопроизвольного разложения ядра на ядро-продукт (дочернее) и альфа-частицу, представленную гелием 24He. Изначально предполагалось, что нестабильными являются только атомные ядра элементов, массовое число которых выше 140. Позже эксперименты показали, что испусканию α-частиц (нестабильны) подвержены химические элементы, порядковый номер которых не менее 83 – висмут. Это не значит, что все расположенные за свинцом (номер 82) элементы опасны для живых организмов.

В тяжёлых ядрах находятся частицы с положительным зарядом, сформированные парой протонов и нейтронов – гелий 4. Они более подвержены воздействию сил Кулона, чем единичный протон, меньше притягиваются к ядерным нуклонам. Образовавшись, альфа-частица с определённой вероятностью отталкивается от потенциального барьера, но может и преодолеть его. Со снижением потенциала пары протоны-нейтроны её проницательная способность падает по экспоненте. Отсюда следует, что нестабильные ядра с малой энергией α-частиц обладают большим временем жизни. Она вычисляется по формуле:

где e – число Эйлера или основание натурального логарифма.

Формула альфа-распада

Скорость, с которой пара протоны-нейтроны преодолевает потенциальный барьер, у неодима достигает 9 400 км/с, для полония – 23 700 км/с. Формула альфа-распада следующая:

ZAX > Z-2A-4Y+24He, где:

При α-распаде массовое число ядра снижается на четыре, а заряд – на два – радиоактивный элемент понижается в периодической системе на два номера. Например, борий (107) распадается на гелий и дубиний (107). Изначально испускаемые изотопами ядра альфа-частицы имеют одинаковую кинетическую энергию или два-три её значения.

Источник

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

При бета-распаде излучается электрон (β-частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Гамма-распад

Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных

Существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма распад.

Изменение заряда ядра Z

Изменение массового числа А

Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино

Взаимные превращения в ядре нейтрона ( ) и протона ( )

и – электронное нейтрино и антинейтрино

Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды

Источник

Альфа-распад

Полезное

Смотреть что такое «Альфа-распад» в других словарях:

альфа-распад — а; м. Радиоактивное превращение атомного ядра, при котором испускается альфа частица. * * * альфа распад (α распад), вид радиоактивного распада атомных ядер, когда испускается альфа частица, заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число … … Энциклопедический словарь

АЛЬФА-РАСПАД — (a распад), вид радиоактивности; испускание атомным ядром альфа частицы. При альфа распаде массовое число (число нуклонов) уменьшается на 4 единицы, а заряд ядра (число протонов) уменьшается на 2. При этом выделяется энергия, которая делится… … Современная энциклопедия

Альфа-распад — (a распад), вид радиоактивности; испускание атомным ядром альфа частицы. При альфа распаде массовое число (число нуклонов) уменьшается на 4 единицы, а заряд ядра (число протонов) уменьшается на 2. При этом выделяется энергия, которая делится… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Альфа-распад — (α распад) испускание альфа частиц (α частиц) при самопроизвольном радиоактивном распаде атомных ядер. Заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4. Характерен для тяжелых ядер с массовым числом А больше 200 и зарядовым числом Z… … Российская энциклопедия по охране труда

АЛЬФА-РАСПАД — распад ат. ядер, сопровождающийся испусканием a частицы. При А. р. заряд ядра Z (в ед. элементарного заряда) уменьшается на 2 ед., а массовое число А на 4 ед., напр.: 22688Ra® 22286Rn+42Нe Энергия, выделяющаяся при А. р., делится между a частицей … Физическая энциклопедия

АЛЬФА-РАСПАД — вид самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер, при котором испускается (см.), заряд ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число на 4. Механизм А. р. связан с (см.) альфа частиц, которые имеют дискретный спектр энергий. А. р. относят … Большая политехническая энциклопедия

альфа-распад — сущ., кол во синонимов: 2 • испускание (15) • распад (28) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

альфа-распад — альфа распад, альфа распада … Орфографический словарь-справочник

альфа-распад — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN alpha decayalpha disintegration … Справочник технического переводчика

Альфа-распад — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Источник

Альфа распад что это

Явление α-распада состоит в том, что атомные ядра самопроизвольно испускают из основного состояния α-частицы – ядра 4 He. При этом массовое число ядра A уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра Z − на две единицы:

Рис. 2.1. Зависимость периода полураспада радиоактивного элемента от кинетической энергии α-частицы естественно радиоактивного элемента. Штриховая линия – закон Гейгера-Нэттола.

Для четно-четных изотопов зависимость периода полураспада от энергии α-распада Q_α описывается эмпирическим законом Гейгера-Неттола

где A и B – константы, слабо зависящие от Z. С учётом заряда ядра Z связь между периодом полураспада T_1/2 и энергией α-распада может быть представлена в виде

где Z − заряд конечного ядра, период полураспада T_1/2 выражен в секундах, а энергия α-частицы E_α − в МэВ. На рис. 2.1 показаны экспериментальные значения периодов полураспада для α-радиоактивных четно-четных изотопов (Z изменяется от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения (2.3).
Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция зависимости
lg T_1/2 от Q_α сохраняется, но периоды полураспада в 2–100 раз больше, чем для четно-четных ядер с теми же Z и Q_α.
Для того чтобы происходил α-распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра M(A,Z) была больше суммы масс конечного ядра M(A-4, Z-2) и α-частицы M_α:

В результате α-распада ядра (A,Z) в конечном состоянии образуются два продукта распада: α-частица и ядро (A-4, Z-2). Поэтому энергия α‑частицы E_α имеет фиксированное значение, определяемое законами сохранения энергии и импульса

Рис. 2.3. Энергии α‑частиц E_α в зависимости от числа нейтронов N
в исходном ядре. Линии соединяют изотопы одного и того же химического элемента.

Упрощенная схема совместного действия ядерного потенциала притяжения и кулоновского потенциала отталкивания показана на рисунке 2.4. Для того, чтобы выйти за пределы ядра α-частица с энергией E_α должна пройти сквозь потенциальный барьер, заключенный в области от R до R_c. Вероятность α-распада в основном определяется вероятностью D прохождения α-частицы через потенциальный барьер

В рамках этой модели удалось объяснить сильную зависимость вероятности α‑распада от энергии α-частицы.

Рис. 2.4. Потенциальная энергия α-частицы. Потенциальный барьер.

Для того чтобы рассчитать постоянную распада λ, надо коэффициент прохождения α-частицы через потенциальный барьер умножить, во-первых, на вероятность w_α того, что α‑частица образовалась в ядре, и, во-вторых, на вероятность того, что она окажется на границе ядра. Если α‑частица в ядре радиуса R имеет скорость v, то она будет подходить к границе в среднем ≈ v/2R раз в секунду. В результате для постоянной распада λ получается соотношение

Рис. 2.5. Зависимость энергии α-распада Q_α изотопов Hf (Z = 72)
от массового числа A.

Зависимость энергии α-распада Q_α, периода полураспада T_1/2,
различных мод распада изотопов H f (Z = 72) от массового числа A

Изотопы Hf c A = 176–180 являются стабильными изотопами. Эти изотопы также имеют положительную энергию α‑распада. Однако энергия α-распада

_i = _f + .

Так как α-частица имеет нулевой спин, её полный момент J совпадает с уносимым α-частицей орбитальным моментом количества движения l

= .

В результате возникает квантовомеханический центробежный барьер.

Относительная проницаемость центробежного барьера для α-частиц,
вылетающих с орбитальным моментом l
(Z = 90, E_α = 4.5 МэВ)

Более существенным фактором, способным резко перераспределить вероятности различных ветвей α-распада, может оказаться необходимость значительной перестройки внутренней структуры ядра при испускании α‑частицы. Если начальное ядро сферическое, а основное состояние конечного ядра сильно деформировано, то для того чтобы эволюционировать в основное состояние конечного ядра, исходное ядро в процессе испускания α‑частицы должно перестроиться, сильно изменив свою форму. В подобном изменении формы ядра обычно участвует большое число нуклонов и такая малонуклонная система, как α‑частица, покидая ядро, может оказаться не в состоянии его обеспечить. Это означает, что вероятность образования конечного ядра в основном состоянии будет незначительной. Если же среди возбужденных состояний конечного ядра окажется состояние близкое к сферическому, то начальное ядро может без существенной перестройки перейти в него в результате α‑распада Вероятность заселения такого уровня может оказаться большой, значительно превышающей вероятность заселения более низколежащих состояний, включая основное.
Из диаграмм α-распада изотопов 253 Es, 225 Ac, 225 Th, 226 Ra видны сильные зависимости вероятности α-распада на возбужденные состояния от энергии α-частицы и от орбитального момента l, уносимого α-частицей.
α-распад также может происходить из возбужденных состояний атомных ядер. В качестве примера в таблицах 2.3, 2.4 приведены моды распада основного и изомерного состояний изотопов 151 Ho и 149 Tb.

α-распады основного и изомерного состояний 151 Ho

α-распады основного и изомерного состояний 149 Tb

На рис. 2.6 приведены энергетические диаграммы распада основного и изомерного состояний изотопов 149 Tb и 151 Ho.

Рис. 2.6 Энергетические диаграммы распада основного и изомерного состояний изотопов 149 Tb и 151 Ho.

Наибольшая энергия α-частиц E_α = 6.04 МэВ соответствует переходу в основное состояние 223 Ra. Следующий максимум отвечает переходу на первое возбужденное состояние 223 Raс энергией 0.0298 МэВ.
Максимум в районе 5.75 МэВ соответствует распаду на возбужденное состояние 0.2861 МэВ. Измеряя энергию α-частиц можно определить энергетические уровни ядра 223 Ra.

Фотография пробегов α-частиц в камере Вильсона, испускаемых радиоактивным изотопом. Видны два более длинных следа, соответствующих распаду из возбужденного состояния.

Некоторые радиоактивные изотопы испускают небольшое количество α‑частиц с энергией больше, чем энергия распада ядра (A,Z) в основное состояние ядра
(A-4,Z-2) − длиннопробежные α-частицы. Появление в спектре длиннопробежных α-частиц обусловлено α-распадом ядра (A,Z) из возбужденных состояний на основное и низковозбужденное состояние ядра (A-4,Z-2). Пробег α‑частиц R_α с энергией
2–10 МэВ в воздухе при комнатной температуре и нормальном давлении связан с её энергией E_α эмпирической формулой

Пробеги α-частиц R_α с энергией E_α = 2 –10 МэВ в воздухе приведены в таблице.

Прохождение α-частицы сквозь потенциальный барьер

Поле, в котором движется α-частица, вылетающая из ядра, имеет характерную форму барьера. Вплоть до поверхности ядра ядерные силы притяжения удерживают α-частицу в ядре. На расстояниях больше радиуса атомного ядра – это кулоновские силы отталкивания. Поэтому по мере удаления α‑частицы от центра ядра её потенциальная энергия вначале растёт, достигая максимума, а затем падает до нуля на бесконечности.
Можно выделить три области.

На рисунке показана зависимость потенциальной энергии взаимодействия между альфа-частицей и конечным ядром от расстояния между их центрами. Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу конечного ядра. Высота кулоновского барьера B_k определяется соотношением

.

Z и z − заряды (в единицах заряда электрона e) конечного ядра и α‑частицы соответственно. Например, для 238 U B_k ≈ 30 МэВ.
Вероятность прохождения α-частицы с энергией E_α сквозь потенциальный барьер
V(r).

Проверка выполнения закона сохранения четности в α-распаде

α-распад изотопа 253 Es

Допустимые значения орбитального момента l, который может унести α-частица ограничены законами сохранения момента количества движения и чётности.

α-распады изотопов 226 Ra и 225 Ac

При α-распаде конечное ядро может оказаться не только в основном но и в одном из возбужденных состояний. Распады на возбужденные состояния приводят к тонкой структуре энергетического спектра вылетающих α-частиц.
Сильная зависимость вероятности α-распада от энергии α-частицы приводит к тому, что распады на возбужденные состояния конечного ядра происходят с очень низкой интенсивностью, потому что при возбуждении конечного ядра уменьшается энергия α-частицы. Экспериментально удается наблюдать распады на вращательные уровни, имеющие относительно низкие энергии возбуждения.

α-распад изотопа 241 Am

Распад изотопа 152 Er.

Практически все тяжелые ядра Z > 83 имеют положительную энергию относительно α-распада, т.к. масса исходного ядра (A,Z) оказывается больше суммы масс α-частицы и образующегося в результате α-распада ядра (A-4,Z-2). Поэтому возможны цепочки последовательных α-распадов ядер.
Наиболее тяжелые из встречающихся на Земле долгоживущих радиоактивных изотопов – это изотопы 235 U, 238 U и 232 Th. Распадаясь эти изотопы образуют дочерние изотопы, которые также являются радиоактивными и распадаются в результате α- и β-распада пока не образуются стабильные изотопы 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb.
Возможны 4 цепочки последовательных α-распадов, образующих 4 радиоактивных семейства с массовыми числами A равными соответственно 4n, 4n+1, 4n+2 и 4n+3, где n − целое число.
Изотопы, образующиеся в результате радиоактивного распада 235 U, 238 U и 232 Th, образуют 3 радиоактивные семейства. Массовые числа изотопов, входящих в каждое семейство, описываются соотношением 4n+C (таблица 2.5).

Семейство	Наиболее долгоживущий изотоп семейства	Период полураспада T1/2	Конечный продукт распада семейства
A = 4n		1.4·10 10 лет
A = 4n+1		2.2·10 6 лет
A = 4n+2		4.5·10 9 лет
A = 4n+3		7·10 8 лет

Радиоактивное семейство 232 Th (A = 4n).

Процентное содержание 232 Th в естественной смеси изотопов составляет 100%. Период полураспада T_1/2( 232 Th) = 1.4·10 10 лет.

Радиоактивное семейство 237 Np (A = 4n+1)

Период полураспада T_1/2( 237 Np) = 2.1·10 6 лет. Т.к. период полураспада 237 Np гораздо меньше времени существования Земли (4÷5·10 9 лет), этот изотоп полностью распался и семейство (A = 4n+1) было обнаружено в результате искусственного образования 237 Np в ядерных реакциях.

Радиоактивное семейство 238 U (A = 4n+2)

Радиоактивное семейство 235 U (A = 4n+3).

Источник