Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 марта 2022 года; проверки требуют 2 правки.
А́льфа-части́ца (α-частица) — положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами; ядро атома гелия-4( ).
Впервые обнаружены Э. Резерфордом в 1899 году[1]. Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции, проведённой Э. Резерфордом в 1919 году (превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами[2] или альфа-излучением[3].
Альфа-частицы возникают при альфа-распаде ядер, при ядерных реакциях и в результате полной ионизации атомов гелия-4. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6Li + 2H = 4He + 4He. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия из звёздных атмосфер и межзвёздного газа, некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц.
Масса альфа-частицы составляет 4,001 506 179 127(63) атомной единицы массы[4] (около 6,644 657 3357(20)⋅10−27 кг), что эквивалентно энергии 3727,379 4066(11) МэВ[5]. Спин и магнитный момент равны нулю. Энергия связи (выраженная в энергетических единицах разница между суммарной массой двух протонов и двух нейтронов и массой альфа-частицы) составляет 28,295 6108(16) МэВ (7,073 9027(4) МэВ на нуклон)[6][7]. Избыток массы составляет 2424,9158(1) кэВ[8]. Заряд альфа-частицы положителен и равен удвоенному элементарному заряду, или примерно 3,218·10−19 Кл.
Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см2). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.
Длина пробега α-частицы в зависимости от её энергии и среды
Детектируются альфа-частицы с помощью сцинтилляционных детекторов, газоразрядных детекторов, кремниевых pin-диодов (поверхностно-барьерных детекторов, нечувствительных к бета- и гамма-излучению) и соответствующей усилительной электроники, а также с помощью трековых детекторов. Для детектирования альфа-частиц с энергиями, характерными для радиоактивного распада, необходимо обеспечить малую поверхностную плотность экрана, отделяющего чувствительный объём детектора от окружающей среды. Например, в газоразрядных детекторах может устанавливаться слюдяное окно с толщиной в несколько микрон, проницаемое для альфа-частиц. В полупроводниковых поверхностно-барьерных детекторах такой экран не нужен, рабочая область детектора может непосредственно контактировать с воздухом. При детектировании альфа-активных радионуклидов в жидкостях исследуемое вещество смешивается с жидким сцинтиллятором.
В настоящее время наиболее распространены кремниевые поверхностно-барьерные детекторы альфа-частиц, в которых на поверхности полупроводникового кристалла с проводимостью p-типа создаётся тонкий слой с проводимостью n-типа путём диффузионного введения донорной примеси (например, фосфора). Приложение обратного смещения к p-n-переходу обедняет чувствительную область детектора носителями заряда. Попадание в эту область альфа-частицы, ионизирующей вещество, вызывает рождение нескольких миллионов электронно-дырочных пар, которые вызывают регистрируемый импульс тока с амплитудой, пропорциональной количеству родившихся пар и, соответственно, кинетической энергии поглощённой альфа-частицы. Поскольку обеднённая область имеет очень малую толщину, детектор чувствителен лишь к частицам с высокой плотностью ионизации (альфа-частицы, протоны, осколки деления, тяжёлые ионы) и малочувствителен к бета- и гамма-излучению.
Вышеописанный механизм рождения электронно-дырочных пар альфа-частицей в полупроводниках может вызвать несанкционированное переключение полупроводникового триггера при попадании альфа-частицы с достаточной энергией на кремниевый чип. При этом единичный бит в памяти заменяется нулевым (или наоборот). Для уменьшения количества таких ошибок материалы, используемые в производстве микросхем, должны обладать низкой собственной альфа-активностью.
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ[9]. При движении альфа-частицы в веществе, она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов, и в результате этого очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Внешнее альфа-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных альфа-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается[10], что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении альфа-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Однако линейная передача энергии высокоэнергичных альфа-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, поэтому их относительная биологическая эффективность сравнима с таковой для гамма-квантов и бета-частиц.
Таким образом, опасность для человека при внешнем облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. В то же время большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ[11].
Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт)[12]. Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества (например полония-210), чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом[12].
↑Обратите внимание, что в базах данных Nubase2020 и AME 2020 указаны массы и производные величины в отношении нейтрального невозбуждённого атома гелия-4; для пересчёта к альфа-частице (дважды ионизированному атому гелия-4) необходимо вычесть массы двух электронов 2 × 0,510 998 950 00(15) МэВ и прибавить их энергию связи в низшем состоянии, 0,000 079 005 МэВ.
↑В некоторых случаях при альфа-распаде ядро, излучающее альфа-частицу, может вначале перейти в возбуждённое состояние. При этом энергия испускаемой альфа-частицы оказывается меньше, чем при переходе на основной уровень дочернего ядра, поскольку часть энергии остаётся в ядре. Возбуждённый уровень впоследствии распадается в основное состояние ядра, а энергия уносится гамма-квантом или передаётся электронам атомной оболочки (см. Внутренняя конверсия). Однако вероятность перехода ядра при альфа-распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц.
↑Публикация 103 Международной Комиссии по радиационной защите (МКРЗ). Пер с англ. / Под общей ред. М. Ф. Киселёва и Н. К. Шандалы. — М.: Изд. ООО ПКФ «Алана», 2009. — С. 68—71. — 1000 экз. — ISBN 978-5-9900350-6-5.
↑Василенко О. И., Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Селиверстова Ж. М., Шумаков А. В. РАДИАЦИЯ. — М.: Изд-во Московского университета, 1996.
).
Впервые обнаружены Э. Резерфордом в 1899 году
