Alfa förfall

Alfasönderfall ( α-sönderfall ) är en typ av radioaktivt sönderfall av kärnan , som ett resultat av vilket den dubbelt magiska kärnan av helium 4 He sänds ut  - en alfapartikel [1] . I det här fallet minskar kärnans massnummer med 4 och atomnumret  - med 2.

Teori

Alfasönderfall från grundtillståndet observeras endast i tillräckligt tunga kärnor, till exempel i radium-226 eller uran-238 . Alfa-radioaktiva kärnor förekommer i tabellen över nuklider med början från atomnummer 52 ( tellur ) och massnummer cirka 106-110, och med atomnummer större än 82 och massnummer större än 200, är ​​nästan alla nuklider alfa-radioaktiva, även om de kan ha alfasönderfall och icke-dominant sönderfallsläge. Bland naturliga isotoper observeras alfa-radioaktivitet i flera nuklider av sällsynta jordartsmetaller (neodym-144, samarium-147, samarium-148, europium-151, gadolinium-152), såväl som i flera tungmetallnuklider (hafnium-174, volfram-180, osmium-186, platina-190, vismut-209, torium-232, uran-235, uran-238) och kortlivade sönderfallsprodukter av uran och torium.

Alfa-sönderfall från starkt exciterade tillstånd i kärnan observeras också i ett antal lätta nuklider, till exempel i litium-7. Bland lätta nuklider upplevs alfasönderfall från grundtillståndet av helium-5 (sönderfaller till α + n ), litium-5 (α + p ), beryllium-6 (α + 2p ), beryllium-8 (2α) och bor -9 (2a + p ) [2] .

Alfapartikeln upplever en tunnelövergång genom en potentiell barriär på grund av kärnkrafter , så alfasönderfall är i huvudsak en kvantprocess . Eftersom sannolikheten för tunneleffekten beror exponentiellt på barriärhöjden [3] , växer halveringstiden för alfa-aktiva kärnor exponentiellt med minskande alfapartikelenergi (detta faktum är innehållet i Geiger-Nattall-lagen ). Vid en alfapartikelenergi mindre än 2 MeV överskrider livslängden för alfa-aktiva kärnor avsevärt universums livstid . Därför, även om de flesta naturliga isotoper tyngre än cerium i princip kan sönderfalla genom denna kanal, har endast ett fåtal av dem faktiskt registrerat sådant sönderfall.

Flykthastigheten för en alfapartikel sträcker sig från 9400 km/s (neodymiumisotop 144 Nd ) till 23 700 km/s för poloniumisotopen 212m Po . Generellt sett ser alfasönderfallsformeln ut så här:

Ett exempel på alfasönderfall för 238 U -isotopen :

Alfasönderfall kan ses som ett extremfall av klusterförfall .

Historik

Alfasönderfall identifierades först av den brittiske fysikern Ernest Rutherford 1899 [4] . Samtidigt, i Paris, genomförde den franske fysikern Paul Villard liknande experiment, men hann inte separera strålningen före Rutherford. Den första kvantitativa teorin om alfasönderfall utvecklades av den sovjetiske och amerikanske fysikern Georgy Gamow .

Fara för levande organismer

Eftersom de är ganska tunga och positivt laddade, har alfapartiklar från radioaktivt sönderfall en mycket kort räckvidd i materia och förlorar snabbt energi på kort avstånd från källan när de rör sig genom ett medium. Detta leder till att all strålningsenergi frigörs i en liten volym materia, vilket ökar chanserna för cellskador när strålningskällan kommer in i kroppen. Extern strålning från radioaktiva källor är dock ofarlig, eftersom alfapartiklar effektivt kan fångas av flera centimeter luft eller tiotals mikrometer av ett tätt ämne - till exempel ett pappersark och till och med ett kått dött lager av epidermis (hudytan) ), utan att nå levande celler. Det är inte ens farligt att röra vid en källa till ren alfastrålning, även om man bör komma ihåg att många alfastrålningskällor också avger mycket mer genomträngande typer av strålning ( betapartiklar , gammastrålar , ibland neutroner). Men om en alfakälla kommer in i kroppen resulterar det i betydande strålningsexponering. Alfastrålningskvalitetsfaktorn är 20 (mer än alla andra typer av joniserande strålning, med undantag för tunga kärnor och fissionsfragment ). Det betyder att i levande vävnad skapar en alfapartikel uppskattningsvis 20 gånger mer skada än en gammastråle eller beta-partikel med lika energi.

Allt ovanstående gäller radioaktiva källor av alfapartiklar, vars energier inte överstiger 15 MeV . Alfa-partiklar som produceras vid acceleratorn kan ha betydligt högre energier och skapa en betydande dos även med yttre bestrålning av kroppen.

Anteckningar

  1. ↑ Mukhin K. N. Experimentell kärnfysik. I 2 böcker. Bok. 1. Atomkärnans fysik. Del I. Egenskaper hos nukleoner, kärnor och radioaktiv strålning. — M.: Energoatomizdat, 1993. — S. 137. — ISBN 5-283-04080-1
  2. ↑ Nudat 2. Interactive Chart of Nuclides Arkiverad 6 april 2018 på Wayback Machine . National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory.
  3. ↑ Malyarov, 1959 , sid. 231.
  4. ↑ Rutherford E. Uranstrålning och den elektriska ledning som produceras av den  //  Philosophical Magazine, Series 5. - 1899. - Vol. 47 , iss. 284 . - S. 109-163 .

Litteratur