Alfa rozpad - Alpha decay

Vizuální znázornění rozpadu alfa

Alfa rozpad nebo α-rozpad je typ radioaktivního rozpadu, při kterém atomové jádro emituje částici alfa (jádro hélia), a tím se transformuje nebo ‚rozpadá 'na jiné atomové jádro, s hmotnostním číslem sníženým o čtyři a atomovým číslo, které je sníženo o dvě. Alfa částice je identická s jádrem atomu helia-4 , které se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů . Má to náboj+2  e a hmotnostu . Například uran-238 se rozkládá za vzniku thoria-234 . Alfa částice mají náboj +2  e , ale jako jaderná rovnice popisuje jadernou reakci bez ohledu na elektrony - konvence, která neznamená, že se jádra nutně vyskytují v neutrálních atomech - náboj se obvykle nezobrazuje. Alfa rozpad se obvykle vyskytuje v nejtěžších nuklidech. Teoreticky se může vyskytovat pouze v jádrech poněkud těžších než nikl (prvek 28), kde celková vazebná energie na nukleon již není maximum a nuklidy jsou proto nestabilní vůči procesům spontánního štěpného typu. V praxi byl tento způsob rozpadu pozorován pouze u nuklidů značně těžších než nikl, přičemž nejlehčí známé alfa zářiče jsou nejlehčí izotopy (hmotnostní čísla 104–109) teluru (prvek 52). Výjimečně se však berylium-8 rozkládá na dvě částice alfa. Alfa rozpad je zdaleka nejběžnější formou kazetového rozpadu , kdy rodičovský atom vysune definovanou dceřinou kolekci nukleonů a zanechá za sebou další definovaný produkt. Jedná se o nejběžnější formu kvůli kombinované extrémně vysoké vazebné energii jader a relativně malé hmotnosti částice alfa. Stejně jako ostatní rozpady klastrů je alfa rozpad v zásadě procesem kvantového tunelování . Na rozdíl od rozpadu beta se řídí souhrou silné jaderné síly a elektromagnetické síly . Částice alfa mají typickou kinetickou energii 5 MeV (nebo ≈ 0,13% jejich celkové energie, 110 TJ/kg) a mají rychlost přibližně 15 000 000 m/s, neboli 5% rychlosti světla . Kolem této energie je překvapivě malá variabilita, vzhledem k velké závislosti poločasu tohoto procesu na vyrobené energii. Vzhledem k jejich relativně velké hmotnosti, elektrický náboj+2  e a relativně nízká rychlost, alfa částice velmi pravděpodobně interagují s jinými atomy a ztrácejí energii a jejich pohyb vpřed může být zastaven o několik centimetrů vzduchu . Přibližně 99% helia produkovaného na Zemi je výsledkem alfa rozpadu podzemních ložisek minerálů obsahujících uran nebo thorium . Hélium se dostává na povrch jako vedlejší produkt výroby zemního plynu .

Dějiny

Částice alfa byly poprvé popsány při vyšetřování radioaktivity Ernestem Rutherfordem v roce 1899 a v roce 1907 byly identifikovány jako ionty He 2+ . V roce 1928 vyřešil George Gamow teorii alfa rozpadu tunelováním. Alfa částice je uvězněna uvnitř jádra atraktivní jadernou potenciální jamkou a odpudivou elektromagnetickou bariérou potenciálu . Klasicky je zakázáno unikat, ale podle (tehdy) nově objevených principů kvantové mechaniky má malou (ale nenulovou) pravděpodobnost „ tunelováníbariérou a objevení se na druhé straně, aby uniklo jádru . Gamow vyřešil modelový potenciál jádra a od prvních principů odvodil vztah mezi poločasem rozpadu a energií emise, která byla dříve objevena empiricky a byla známá jako Geigerův-Nuttallův zákon .

Mechanismus

Nukleární síla drží atomové jádro spolu je velmi silný, obecně mnohem silnější než odpudivých elektromagnetických sil mezi protony. Jaderná síla je však také krátkého dosahu a její síla rychle klesá nad 1 femtometr , zatímco elektromagnetická síla má neomezený dosah. Síla přitažlivé jaderné síly, která drží jádro pohromadě, je tedy úměrná počtu nukleonů, ale celková rušivá elektromagnetická síla snažící se rozbít jádro od sebe je zhruba úměrná druhé mocnině jeho atomového čísla. Jádro s 210 a více nukleony je tak velké, že silná jaderná síla, která jej drží pohromadě, jen stěží vyvažuje elektromagnetické odpuzování mezi protony, které obsahuje. Alfa rozpad se vyskytuje v takových jádrech jako prostředek ke zvýšení stability zmenšením velikosti.

Jednou zajímavostí je, proč by měly být přednostně emitovány částice alfa, jádra helia, na rozdíl od jiných částic, jako je jeden proton nebo neutron nebo jiná atomová jádra . Jedním z důvodů je vysoká vazebná energie částice alfa, což znamená, že její hmotnost je menší než součet hmotností dvou protonů a dvou neutronů. To zvyšuje energii rozpadu. Výpočet celkové dezintegrační energie dané rovnicí

kde m i je počáteční hmotnost jádra, m f je hmotnost jádra po emisi částic a m p je hmotnost emitované částice, zjistíme, že v určitých případech je kladná, a proto je možná emise alfa částic vzhledem k tomu, že jiné způsoby rozpadu by vyžadovaly přidání energie. Například výpočet pro uran-232 ukazuje, že emise částic alfa dává energii 5,4 MeV, zatímco emise jednoho protonu by vyžadovala 6,1 MeV. Většina energie z rozpadu se stává kinetickou energií samotné alfa částice, i když pro zachování zachování hybnosti část energie jde do zpětného rázu samotného jádra (viz Atomový zpětný ráz ). Protože však hmotnostní počty většiny alfa-emitujících radioizotopů přesahují 210, mnohem větší než hmotnostní číslo alfa částice (4), je část energie procházející zpětným rázem jádra obecně poměrně malá, méně než 2%, energie zpětného rázu (na stupnici keV) je však stále mnohem větší než síla chemických vazeb (na stupnici eV), takže se dceřiný nuklid odtrhne od chemického prostředí, ve kterém byl rodič. Energie a poměry částice alfa lze použít k identifikaci radioaktivního rodiče pomocí alfa spektrometrie .

Tyto dezintegrační energie jsou však podstatně menší než odpudivá potenciální bariéra vytvořená elektromagnetickou silou, která brání úniku částice alfa. Energie potřebná k přenesení částice alfa z nekonečna do bodu poblíž jádra těsně mimo rozsah vlivu jaderné síly se obecně pohybuje v rozmezí asi 25 MeV. Alfa částice může být považována za uvnitř potenciální bariéry, jejíž stěny jsou 25 MeV nad potenciálem v nekonečnu. Částice alfa rozpadu však mají pouze energie o 4 až 9 MeV nad potenciálem v nekonečnu, mnohem menší než energie potřebná k úniku.

Kvantová mechanika však umožňuje částici alfa uniknout kvantovým tunelem. Teorie kvantového tunelování alfa rozpadu, kterou nezávisle vyvinuli George Gamow a Ronald Wilfred Gurney a Edward Condon v roce 1928, byla oslavována jako velmi nápadné potvrzení kvantové teorie. V podstatě alfa částice uniká z jádra nikoli získáním dostatečné energie, která by prošla stěnou, která ji omezuje, ale tunelováním skrz zeď. Gurney a Condon ve svém příspěvku učinili následující pozorování:

Dosud bylo nutné postulovat nějakou zvláštní libovolnou 'nestabilitu' jádra, ale v následující poznámce je zdůrazněno, že rozpad je přirozeným důsledkem zákonů kvantové mechaniky bez nějaké speciální hypotézy ... Hodně bylo napsáno výbušného násilí, kterým je α-částice vrhána ze svého místa v jádru. Ale z výše zobrazeného postupu by se dalo spíše říci, že α-částice téměř bez povšimnutí vyklouzne.

Teorie předpokládá, že alfa částici lze považovat za nezávislou částici v jádru, která je v neustálém pohybu, ale je v jádru držena silnou interakcí. Při každé srážce s odpudivou potenciální bariérou elektromagnetické síly existuje malá nenulová pravděpodobnost, že si vytuneluje cestu ven. Alfa částice s rychlostí 1,5 x 10 7  m / s v jaderném průměru přibližně 10 -14  m bude kolidovat s bariérou více než 10 21 krát za sekundu. Pokud je však pravděpodobnost úniku při každé srážce velmi malá, bude poločas rozpadu radioizotopu velmi dlouhý, protože je to čas potřebný k tomu, aby celková pravděpodobnost úniku dosáhla 50%. Jako extrémní příklad, je poločas rozpadu izotopu bismutu-209 je2,01 × 10 19  let .

Izotopy v izobarech stabilních proti beta rozpadu, které jsou také stabilní, pokud jde o dvojitý beta rozpad s hmotností číslo A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  ≤ 162 a A  ≥ 165, jsou teoretizovány pro podstoupení alfa rozklad. Všechna ostatní hmotnostní čísla ( izobary ) mají přesně jeden teoreticky stabilní nuklid ). Ti s hmotností 5 se rozpadnou na helium-4 a proton nebo neutron a ti s hmotností 8 se rozpadnou na dvě jádra helia-4; jejich poločasy ( helium-5 , lithium-5 a beryllium-8 ) jsou velmi krátké, na rozdíl od poločasů pro všechny ostatní takové nuklidy s A  ≤ 209, které jsou velmi dlouhé. (Takové nuklidy s A  ≤ 209 jsou prvotní nuklidy kromě 146 Sm.)

Zpracování podrobností teorie vede k rovnici vztahující se k poločasu rozpadu radioizotopu k energii rozpadu jeho alfa částic, k teoretickému odvození empirického Geigerova – Nuttallova zákona .

Využití

Americium-241 , An alfa zářič , je používán v detektory kouře . Částice alfa ionizují vzduch v otevřené iontové komoře a ionizovaným vzduchem protéká malý proud . Částice kouře z ohně, které vstupují do komory, snižují proud a vyvolávají poplach detektoru kouře.

Radium-223 je také alfa vysílač . Používá se při léčbě kosterních metastáz (rakovin v kostech).

Alfa rozpad může poskytnout bezpečný zdroj energie pro radioizotopové termoelektrické generátory používané pro vesmírné sondy a byly použity pro umělé kardiostimulátory . Alfa rozpad je mnohem snáze chráněn před jinými formami radioaktivního rozpadu.

Statické eliminátory obvykle používají k ionizaci vzduchu polonium-210 , alfa zářič, což umožňuje „statickému ulpívání“ rychleji se rozptýlit.

Toxicita

Vysoce nabité a těžké částice alfa ztrácejí několik MeV energie v malém objemu materiálu spolu s velmi krátkou střední volnou cestou . To zvyšuje pravděpodobnost přerušení dvouřetězce DNA v případě vnitřní kontaminace při požití, vdechnutí, injekci nebo zavedení kůží. Jinak dotek zdroje alfa obvykle není škodlivý, protože částice alfa jsou účinně chráněny několika centimetry vzduchu, kusem papíru nebo tenkou vrstvou odumřelých kožních buněk, které tvoří epidermis ; mnoho zdrojů alfa je však také doprovázeno rádiovými dcerami emitujícími beta a oba jsou často doprovázeny emisí gama fotonů.

Relativní biologická účinnost (RBE) kvantifikuje schopnost záření způsobovat určité biologické efekty, zejména rakovinu nebo buněčnou smrt , pro ekvivalentní radiační expozici. Alfa záření má vysoký koeficient lineárního přenosu energie (LET), což je asi jedna ionizace molekuly/atomu na každý angstrom cesty alfa částice. RBE byla stanovena na hodnotu 20 pro záření alfa různými vládními nařízeními. RBE je nastaveno na 10 pro ozařování neutrony a na 1 pro beta záření a ionizující fotony.

Nicméně, zpětný ráz z mateřské jádra (alfa zpětného rázu) dává značné množství energie, která také způsobuje poškození ionizace (viz ionizujícího záření ). Tato energie je zhruba hmotností alfa (4  u ) děleno hmotností rodiče (typicky asi 200 u) krát celková energie alfa. Podle některých odhadů by to mohlo představovat většinu vnitřního radiačního poškození, protože jádro zpětného rázu je součástí atomu, který je mnohem větší než částice alfa, a způsobuje velmi hustou stopu ionizace; atomem je typicky těžký kov , který se přednostně shromažďuje na chromozomech . V některých studiích to mělo za následek RBE blížící se 1000 namísto hodnoty používané ve vládních předpisech.

Největším přirozeným přispěvatelem dávky veřejného záření je radon , přirozeně se vyskytující radioaktivní plyn nacházející se v půdě a hornině. Pokud je plyn vdechován, některé částice radonu se mohou přichytit na vnitřní výstelku plic. Tyto částice se nadále rozpadají a emitují částice alfa, které mohou poškodit buňky v plicní tkáni. Smrt Marie Curie ve věku 66 let na aplastickou anémii byla pravděpodobně způsobena dlouhodobým vystavením vysokým dávkám ionizujícího záření, ale není jasné, zda to bylo způsobeno alfa zářením nebo rentgenovým zářením. Curie intenzivně pracovala s radiem, které se rozpadá na radon, spolu s dalšími radioaktivními materiály, které vyzařují paprsky beta a gama . Curie však také pracovala s nestíněnými rentgenovými trubicemi během první světové války a analýza její kostry během reburialu ukázala relativně nízkou úroveň radioizotopové zátěže.

Předpokládá se, že vražda ruského disidenta Alexandra Litviněnka v roce 2006 otravou radiací byla provedena pomocí polonia-210 , alfa zářiče.

Reference

Poznámky

externí odkazy