Атомная физика на ОГЭ. Вся теория и разбор заданий от преподавателя MAXIMUM
06.02.2021
19036
Атомная физика — один из труднейших разделов экзамена, а задания по этой теме кочуют из варианта в вариант каждый год. Не пугаемся! Для решения заданий ОГЭ на радиоактивность, распады и ядерные реакции нужно знать лишь самые базовые понятия. Из этой статьи вы узнаете все необходимое — атомная физика на ОГЭ обязательно вам покорится!
В этой статье:
Какие частицы необходимо помнить для сдачи ОГЭКакие ядерные распады нужно знатьАльфа-распадИзотопыБета-распад
Гамма-распадЯдерные реакцииАтомная физика на ОГЭ: что нужно запомнить
Какие частицы необходимо помнить для сдачи ОГЭ
Чтобы перейти к практике и научиться решать хитрые задания, сначала нужно вспомнить теорию, связанную с ними.
Вспомним, что химические элементы обозначаются в виде 
, где
- X – название химического элемента
- А – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов
- Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре
Давайте раз и навсегда узнаем, что скрывается за числами рядом с названием каждого элемента. Рассмотрим пример углерода:
- 6 — это порядковый номер и зарядовое число Z. Таким образом, в ядре атома углерода 6 протонов. Z=6.
- 12,011 — это атомная масса. Мы будем его округлять до 12 и называть массовым числом A, то есть суммой протонов и нейтронов. A=12.
- Получается, в ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов.
Какие ядерные распады нужно знать
На ОГЭ часто встречаются три типа распадов: альфа, бета и гамма.
Альфа-распад
α-распад — испускание ядром альфа-частицы. Что это такое? Все просто — так называют ядро атома гелия, то есть частицу из двух протонов и двух нейтронов.
- У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
- Атом испускает альфа-частицу с массовым числом=4 и зарядовым числом=2
- Мы получаем новый элемент с массовым числом=A-4 и зарядовым числом=Z-2
В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.
Самостоятельно подготовиться к ОГЭ непросто. На то, чтобы разобраться со всеми темами, понадобится много времени. Но и это не решит проблему! Например, если вы запомнили какое-то решение из интернета, а оно оказалось неправильным, можно на пустом месте потерять баллы. Если хотите научиться решать все задания ОГЭ по физике, обратите внимание на онлайн-курсы MAXIMUM! Наши специалисты уже проанализировали сотни вариантов ОГЭ и подготовили для вас вас максимально полезные занятия.
Приходите к нам на пробный урок! Вы узнаете всю структуру ОГЭ-2021, разберете сложные задания из первой части, получите полезные рекомендации и узнаете, как устроена подготовка к экзаменам в MAXIMUM. Все это абсолютно бесплатно!
Задача 1
Используя фрагмент Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, представленный на рисунке, определите, какое ядро образуется в результате α-распада ядра нептуния-237.
Разбор
- Как мы говорили чуть выше, порядковый номер элемента — это, по совместительству, зарядовое число. То есть, количество протонов. Получается, в Нептунии 93 протона.
- У α-частицы количество протонов = 2.
- Посчитаем, чему равно зарядовое число нашего нового элемента: зарядовое число = 93-2 = 91. Взглянув на табличку, находим элемент под номером 91 — Протактиний.
Ответ: 1) Ядро протактиния
Изотопы
Теперь давай обратим внимание на массовые числа нептуния и протактиния. Отличаются ли они на массовое число альфа-частицы — на 4?
237-231=6
Время бить тревогу! Неужели мы что-то напутали и решили задачу неверно? Но нет, оказывается, мы все сделали правильно — ведь у протактиния более 15 изотопов.
Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.
Например, изотопы азота:
и 
Задача 2
Ядро тория 
превратилось в ядро радия 
. Какую частицу испустило при этом ядро тория?
- нейтрон
- протон
- альфа-частицу
- бета-частицу
Разбор
- Сверху находится массовое число — масса частицы. Вычтем из массы Тория массу Радия: 230-226=4. Получили массу неизвестной частицы.
- Снизу находится зарядовое число — это заряд неизвестной частицы. Вычтем из заряда Тория заряд Радия: 90-88=2. Получили заряд неизвестной частицы.
- Итого: массовое число = 4. Зарядовое число = 2
- Взглянем на табличку самых распространенных частиц.
Вуаля! Наша незнакомка — это альфа-частица — частица с двумя протонами и двумя нейтронами.
Ответ: 3) альфа-частица
https://blog.maximumtest.ru/post/oge-po-fizike-2021-struktura-i-izmeneniya.html
Бета-распад
β-распад — испускание ядром бета-частицы. Бета-частицей называют электрон. Посмотрим в списке основных частиц наверху, чему равны массовое и зарядовое число бета-частицы (электрона).
- У нас был элемент X с массовым числом A и с зарядовым числом Z
- Атом испускает бета-частицу с массовым числом=0 и зарядовым числом=-1
- Мы получаем новый элемент с прежним массовым числом=A и зарядовым числом=Z+1
В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.
Задача 3
Изотоп криптона в результате серии распадов превратился изотоп молибдена 
. Сколько β-частиц было испущено в этой серии распадов?
Разбор
- Обозначим количество испущенных β-частиц за N
- Зарядовое число криптона до серии β-распадов равнялось 36
- Зарядовое число молибдена после серии β-распадов 42
- Тогда 42-36=6 β распадов
Ответ: было испущено 6 β распадов
Задача 4
Радиоактивный атом 
превратился в атом 
в результате цепочки альфа- и бета-распадов. Чему было равно число альфа- и бета-распадов?
Разбор
Эта задача требует максимальной концентрации — многие школьники ее решают неверно. Давайте разберем правильный подход к этой задаче.
- Для начала рассмотрим альфа-распады
- Добьемся, чтобы массовое число изменилось с 232 до 208. Для этого производим альфа-распады, вычитая 4 из массового числа и 2 из зарядового числа.
- Получили элемент с массовым числом=208 и зарядовым числом=78. Для этого мы произвели 6 альфа распадов.
- Теперь перейдем к бета-распадам. Бета-распады влияют только на зарядовое число.
- Добьемся того, чтобы зарядовое число изменилось с 78 до 82.
- Получили элемент с массовым числом = 208 и зарядовым числом = 82. Для этого мы произвели 4 бета распада.
Ответ: 6 альфа распадов и 4 бета распада.
Гамма-распад
γ-частицы — это излучение, а γ-распад — испускание ядром гамма-излучения. Пожалуй, это самый простой распад, потому что он ничего не меняет.
Элемент X до распада и элемент Y после распада — это одно и то же.
На ОГЭ ученики часто попадают в ловушки экзамена, считая, что γ-излучение меняет элемент. Но это совсем не так! Какой элемент был до гамма-распада, такой и останется.
При γ-распаде заряд и масса не меняются.
Ядерные реакции
Атомная физика на ОГЭ включает в себя не только распады, но и ядерные реакции. Ядерные реакции происходят при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами. В результате изменяется массовое и зарядовое число элементов, появляются новые частицы.
Во всех ядерных реакциях работает очень простой лайфхак: при протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.
Сумма масс слева равна сумме масс справа: A1+A2=A3+A4.
Сумма зарядов слева равна сумме зарядов справа: Z1+Z2=Z3+Z4.
Сразу же закрепим эти правила на практике.
Задача 5
В результате столкновения ядра урана с частицей X произошло деление урана, описываемое реакцией:
Определите зарядовое и массовое числа частицы X, с которой столкнулось ядро урана.
Разбор
- Сначала разберемся с массовым числом. Используем лайфхак: то, что слева, равно тому, что справа.
- Также заметим, что у нас 3 нейтрона. Получается, нам нужно умножить массовое число нейтрона на 3.
- С гамма-частицей разобраться легко — как мы показали ранее, она ни на что не влияет.
A+235 = 133+139+3*1
Отсюда A=133+139+3-235=40
- Теперь настал черед зарядового числа.
Z+92 = 36+56+3*0
Отсюда Z=36+56+0-92=0
Ответ: получили элемент X c массовым числом 40 и зарядовым числом 0.
Атомная физика на ОГЭ: что нужно запомнить
- В α-распаде заряд уменьшается на 2, а масса уменьшается на 4.
- α-частица — это ядро атома гелия. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
- В β-распаде заряд увеличивается на 1, а масса не меняется.
- β-частица — это электрон.
- В γ-распаде заряд и масса не меняются.
- γ-частица — это порция электромагнитного излучения.
- Изотопы — это разновидности атомов (и ядер) какого либо химического элемента, которые имеют одинаковое зарядовое число, но разные массовые числа.
- В ядерных реакциях сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд.
Теперь вы знаете, как решать задания на ядерные распады и реакции! Надеюсь, атомная физика на ОГЭ стала для вас намного понятнее. Если хотите разобраться в остальных темах по физике и не только, обратите внимание на наши онлайн-курсы. Уже более 150 тысяч выпускников подготовились с нами к ОГЭ и ЕГЭ. Кстати, у меня на курсах MAXIMUM тоже можно поучиться! Приходите на бесплатный пробный урок, чтобы познакомиться с нашей образовательной системой и узнать массу полезного про ОГЭ.
`
Лайфхаки экзамена
К рубрике
You should upgrade or use an alternative browser.
-
Forums
-
Physics
-
High Energy, Nuclear, Particle Physics
Calculating the number of alpha particles incident on a detector
-
Thread starter
neural_jam -
Start date
Nov 26, 2011
- Nov 26, 2011
- #1
could I request that the moderators move it to the right one.
Ok, so my problem is pretty much as I stated in the title.
The background to this is that I have been asked to roughly calculate the
number of alpha particles that would be incident on a detector surface
in an environment where there is 147 Bq m-3 of alpha
particles from decaying Rn222.
So, I have taken the maximum range in air for an α-particle to be
3.4cm, so I am considering the decays in a hemisphere around the
detector which for simplicity’s sake I am assuming to be a square of
side 1cm, and only has radiation incident on one side.
I have worked out the total activity in the hemisphere to be 1.22×10
-2 Bq, but I’m not sure how to proceed to work out how many
actually hit the sensor.
I believe it will probably involve some kind of volume integral, but
I’m not sure what to integrate!
I’m guessing that I plug something into the following equation
[itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^R[/itex] r2sinθ dr dθ d[itex]phi[/itex]
(I am also assuming the radiation to be isotropic)
If anyone could point me in the right direction it would be greatly
appreciated.
Many thanks
Answers and Replies
- Nov 27, 2011
- #2
If you want to take the air into account you can figure out the total number of particles that make it the distance r and then multiply that by the same ratio. Of course your detector is probably not 100% efficient so there is an efficiency factor also. Although you asked about the number incident on the surface not the number actually detected so I guess you can forget about that.
Although reading your question again I see perhaps you are not interested in a point source but some kind of dispersed radioactivity. In which case you can forget most of what I wrote :p.
- Nov 27, 2011
- #3
Normally, for an alpha source, one might want to put the source inside the detector gas chamber.
- Nov 27, 2011
-
- #4
Well if you forget about the effect of air for a moment, the number of particles which hit a detector with cross-sectional area A (pointing straight at the source) per second is just going to be the total activity times the ratio of A to the area of a sphere with radius of the distance to the detector. i.e. [itex] 147frac{A}{4pi r^2} [/itex]. Assuming isotropic radiation as you say.
If you want to take the air into account you can figure out the total number of particles that make it the distance r and then multiply that by the same ratio. Of course your detector is probably not 100% efficient so there is an efficiency factor also. Although you asked about the number incident on the surface not the number actually detected so I guess you can forget about that.Although reading your question again I see perhaps you are not interested in a point source but some kind of dispersed radioactivity. In which case you can forget most of what I wrote :p.
lol yes, which is why I am talking about integrating over the volume of a hemisphere which has the radius of the range of the α-particles in air and centred on the detector.
Would it be a valid approach to integrate the [itex] 147frac{A}{4pi r^2} [/itex] equation?
so it would be [itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^R[/itex] [itex] 147frac{A}{4pi r^2} [/itex]r2sinθ dr dθ d[itex]phi[/itex] ?
It depends on the source strength, the geometry of the source with respect to the detector (including attenuation over distance), and any shielding on the part of the source and detector.Normally, for an alpha source, one might want to put the source inside the detector gas chamber.
As I mentioned, it is radon gas in air, the activity is 147 Bq m-3, and I am considering a hemisphere of the radon/air mixture with a radius equal to the range of the alpha particles in air, and there is no shielding.
Also it is a semiconductor detector.
- Nov 27, 2011
- #5
lol yes, which is why I am talking about integrating over the volume of a hemisphere which has the radius of the range of the α-particles in air and centred on the detector.
Would it be a valid approach to integrate the [itex] 147frac{A}{4pi r^2} [/itex] equation?so it would be [itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^R[/itex] [itex] 147frac{A}{4pi r^2} [/itex]r2sinθ dr dθ d[itex]phi[/itex] ?
Hmm, yes I think that should be ok as a rough approximation. You are just integrating over the activity at the detector due to each volume element of gas within the hemisphere. It assumes no loss of alpha particles due to air within the volume and 100% loss of those originating outside, and that the detector area looks the same from every angle (which will sort of suck as an assumption at the edge of the hemisphere), but if you are just after a quick estimate it is probably good enough.
You could improve it by making A a function of the angles and figuring out the function describing alpha loss with distance and putting that in there too.
- Nov 27, 2011
-
- #6
Hmm, yes I think that should be ok as a rough approximation. You are just integrating over the activity at the detector due to each volume element of gas within the hemisphere. It assumes no loss of alpha particles due to air within the volume and 100% loss of those originating outside, and that the detector area looks the same from every angle (which will sort of suck as an assumption at the edge of the hemisphere), but if you are just after a quick estimate it is probably good enough.
That’s exactly what I’m after (at the moment) thank you!
You could improve it by making A a function of the angles and figuring out the function describing alpha loss with distance and putting that in there too.
I’m not quite sure what you mean by making ‘A’ a function of the angles though? I’ll more than likely need to make it more precise, so it would be good to know!
Incidentally, I used the above equation and got 1.25 x 10-4Bq actually falling on a square 1x1cm detector, it would be nice if someone could check that for me if they feel like it! (just looking for a ‘yes’, ‘no’, or ‘that looks reasonable’ lol)
- Nov 27, 2011
- #7
[itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^π[/itex][itex]int_0^R[/itex] 1.22 x 10-2[itex] frac{A}{4pi r^2} [/itex]r2sinθ dr dθ d[itex]phi[/itex]
Since it’s 147 Bq m-3 but only 1.22 x 10-2Bq within the actual hemisphere, which takes into account the range of the alphas in air
- Nov 27, 2011
- #8
I’m not quite sure what you mean by making ‘A’ a function of the angles though? I’ll more than likely need to make it more precise, so it would be good to know!
Well, from the viewpoint of some volume element of gas, the “target” the various alpha particles have to hit has a different cross-sectional area (say it is flat and pointing to the middle of the hemisphere), i.e. it will be the projection of A in the direction of the viewing angle, [itex]A.n=Acostheta[/itex]. So you could replace A with this factor in your integral. This assumes the distance from the detector to the bit of gas is large compared to the detector area so it will suck for the “close” bits of gas, but it is better than just A. You are still assuming no alpha particles get in through the sides of your detector or anything sneaky like that.
Err actually the angle there is the angle between the surface normal and the vector to the gas element, which is a different theta to your spherical polar coordinate theta. You can make them the same though if you switch the cos to sin.
- Nov 27, 2011
- #9
Suggested for: Calculating the number of alpha particles incident on a detector
- Apr 15, 2022
- Jan 30, 2021
- Jul 23, 2020
- Apr 4, 2023
- Apr 12, 2023
- May 29, 2022
- Oct 21, 2021
- Dec 6, 2022
- May 19, 2020
-
Forums
-
Physics
-
High Energy, Nuclear, Particle Physics
Под элементарными частицами в данном контексте нужно понимать нейтроны, протоны и электроны. Т.е. количество элементарных частиц в атоме равно сумме нейтронов, протонов и электронов этого атома.
Таким образом, вопрос можно разделить на два других:
- Как определить число протонов и нейтронов в атоме?
- Как определить общее число электронов в атоме?
Но в данном случае нам даже не нужно вычислять число нейтронов и протонов в ядре атома – эта информация у нас уже есть! Массовое число (относительная атомная масса) химического элемента есть сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома.
A = N + Z
Также напомню, что в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, которое, в свою очередь, равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева.
Таким образом можно составить простейшую формулу для вычисления числа элементарных частиц в атоме:
N (частиц) = A + Z
Где A – массовое число атома химического элемента, а Z – заряд ядра атома (порядковый номер элемента).
Если же вам нужно знать число отдельных элементарных частиц, то:
- число протонов: равно порядковому номера элемента;
- число нейтронов: определяется вычитанием из массового числа атома числа протонов (см. выше);
- число электронов: равно порядковому номеру элемента для нейтрального атома.
Примеры
Определить количество элементарных частиц в атоме 7Li.
Порядковый номер элемента 3 поэтому в атоме содержится 3 электрона.
N (частиц) = 7 (массовое число) + 3 (порядковый номер) = 10
Определить количество элементарных частиц в атоме 59Ni.
Порядковый номер элемента 28 поэтому в атоме содержится 28 электронов.
N (частиц) = 59 (массовое число) + 28 (порядковый номер) = 87
Определить количество элементарных частиц в атоме 96Mo.
Порядковый номер элемента 42 поэтому в атоме содержится 42 электрона.
N (частиц) = 96 (массовое число) + 42 (порядковый номер) = 138
Определить количество элементарных частиц в атоме 207Pb.
Порядковый номер элемента 82 поэтому в атоме содержится 82 электрона.
N (частиц) = 207 (массовое число) + 82 (порядковый номер) = 289
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное автономное образовательное
учреждение
высшего профессионального
образования
«ЮЖНЫЙ
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физический
факультет
Лабораторная
работа
На тему: «Определение длины пробега альфа-частиц»
Выполнили
студенты 3-го
курса, 1,2-ой группы, очной формы обучения
Чеглокова
Елена и Михайлова Татьяна
г.
Ростов-на-Дону
2014
г.
Цель
работы: получение
кривой прохождения α – частиц через
вещество, определение длины среднего
пробега и энергии α -частиц.
Используемое
оборудование:
блок детектирования, содержащий источник
и счетчик α-частиц, блок питания, скамья
со шкалой для перемещения источника.
Краткая
теория.
Главными
характеристиками α-радиоактивных ядер
и испускаемых ими α-частиц являются
период полураспада T½,
кинетическая энергия Tα
и пробег Rα.
Объяснение
природы α-распада заключается в эффекте
преодоления потенциального барьера
α-частицей при ее вылете из атомного
ядра. В мире микрочастиц, движение
которых описывается не классической,
а квантовой механикой, возможен процесс
так называемого туннельного перехода
– прохождения частицы через потенциальный
барьер.
Альфа-частицы
взаимодействуют с веществом посредством
упругого рассеяния и ионизационного
торможения. Кулоновское поле электронов
атомов вещества взаимодействует с
движущейся α – частицей, которая при
этом теряет энергию, постепенно
останавливаясь. Это процесс ионизационного
торможения. Характерной особенностью
альфа-частиц является существование у
них определенного пробега R, т.е.
расстояния, которое проходит частица
до момента полной потери энергии.
Если
исследовать монохроматический поток
α-частиц и подсчитывать число частиц,
увеличивая постепенно расстояние между
источником и детектором, то есть заставляя
альфа-частицы проходить все больший
слой воздуха, то число N
частиц в пучке начинает на определенном
расстоянии падать не сразу до нуля, а с
некоторым наклоном.
Если
эту кривую продифференцировать и
построить величину dN/dx в зависимости
от толщины слоя x , то получится кривая
с резким максимумом при x=R0
, показывающим, что подавляющее большинство
α-частиц имеет определенный пробег с
некоторым разбросом в ту и другую
сторону. В диапазоне энергий 4 < Eα
< 15 Мэв используют для оценки Eα
зависимость:
Ход работы:
Установили
время 2,5 мин и снимали показания с
индикатора блока пересчета. Увеличивали
расстояние х на 1 мм и каждые 2,5 мин
снимали значение количества частиц,
после чего у нас получились следующие
данные,
и
по ним
мы
построили график зависимости N(x):
|
x |
N |
|
0,01 |
9999 |
|
0,011 |
9999 |
|
0,012 |
9999 |
|
0,013 |
9999 |
|
0,014 |
8658 |
|
0,015 |
5853 |
|
0,016 |
2723 |
|
0,017 |
1620 |
|
0,018 |
1445 |
|
0,019 |
1252 |
|
0,02 |
1192 |
|
0,021 |
1132 |
|
0,022 |
1000 |
|
0,023 |
811 |
|
0,024 |
716 |
|
0,025 |
635 |
|
0,026 |
552 |
|
0,027 |
516 |
|
0,028 |
450 |
|
0,029 |
436 |
|
0,03 |
372 |
Далее
мы рассчитали поправку на телесный угол
для полученных значений (ro=0.013):
|
x/r0 |
|
769153,8 |
|
769153,8 |
|
769153,8 |
|
769153,8 |
|
666000 |
|
450230,8 |
|
209461,5 |
|
124615,4 |
|
111153,8 |
|
96307,69 |
|
91692,31 |
|
87076,92 |
|
76923,08 |
|
62384,62 |
|
55076,92 |
|
48846,15 |
|
42461,54 |
|
39692,31 |
|
34615,38 |
|
33538,46 |
|
28615,38 |
После
чего мы построили график зависимости
:
dx
По
данному графику мы нашли Ro=
x
в резком максимуме. Далее по форуле
мы оценили
Вывод:
Мы
получили кривую прохождения α – частиц
через вещество, определили длину среднего
пробега Ro=0,016
и энергии α – частиц. Ea=
3,
96172
Мэв.
Закон
Гейгера — Нэттола —
закон, описывающий функциональную связь
между энергией альфа-частицы и периодом
полураспадарадиоактивного ядра.
Открыт Г. В. Гейгером и Дж.
Нэттолом в 1911 г[1].
-
—
энергия
альфа-частицы -
—
период
полураспада радиоактивного ядра -
, 
—
константы
—
—
, 
—
Закон
позволяет определить период полураспада
по экспериментальным данным о энергии
испускаемой при реакции частицы,
например, при альфа-распаде.
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.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
| Альфа-частица | |
|---|---|
| α, α2+, He2+ | |
Альфа-частица |
|
| Ядро изотопа |
Гелий-4 (  ) |
| Химический элемент | Гелий |
| Состав | 2 протона, 2 нейтрона |
| Семья | Бозон |
| Магнитный момент | 0 |
| Электрический квадрупольный момент | 0 |
| Массовое число (барионное число) | 4 |
| Масса | 3,727 379 4066(11) ГэВ (около 6,644 656⋅10−27 кг) |
| Масса, а.е.м. | 4,001 506 179 127(63) |
| Энергия связи | 28,3 МэВ (7,1 МэВ на нуклон)[1] |
| Время жизни | Стабильна |
| Чётность | + |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд | 2 |
| Спин | 0 |
| Изотопический спин | 0 |
| Гиперзаряд | 4 |
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].
Образование[править | править код]
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.
Свойства[править | править код]
Масса альфа-частицы составляет 4,001 506 179 127(63) атомной единицы массы[4] (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.
Проникающая способность[править | править код]
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.
| Среда | Энергия α-частиц, МэВ | |||
|---|---|---|---|---|
| 4 | 6 | 8 | 10 | |
| Длина пробега α-частицы, мм | ||||
| Воздух при нормальных условиях | 25 | 46 | 74 | 106 |
| Биологическая ткань | 0,031 | 0,056 | 0,096 | 0,130 |
| Алюминий | 0,016 | 0,030 | 0,048 | 0,069 |
Детектирование[править | править код]
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.
Воздействие на электронику[править | править код]
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.
Воздействие на человека[править | править код]
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 ороговевшего 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. В то же время для более высокоэнергичных альфа-частиц линейная передача энергии значительно меньше, поэтому относительная биологическая эффективность альфа-частиц с энергиями 200 МэВ и выше 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].
См. также[править | править код]
- Альфа-распад
- Бета-частица
- Гамма-излучение
- Гелион
- Нейтрон
- Ядерная реакция
Примечания[править | править код]
- ↑ 1 2 Оглоблин А. А., Ломанов М. Ф. АЛЬФА-ЧАСТИЦА // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2016); https://old.bigenc.ru/physics/text/1816460 Архивная копия от 27 марта 2022 на Wayback Machine Дата обращения: 27.03.2022
- ↑ Гордиенко В. А. Введение в экологию (15 мая 2012). Дата обращения: 27 марта 2022. Архивировано 27 марта 2022 года.
- ↑ Взаимодействие частиц с веществом Архивная копия от 18 июля 2012 на Wayback Machine.
- ↑ Alpha particle mass in u Архивная копия от 30 октября 2021 на Wayback Machine. 2018 CODATA recommended values.
- ↑ Alpha particle mass energy equivalent in MeV Архивная копия от 23 марта 2021 на Wayback Machine. 2018 CODATA recommended values.
- ↑ Meng Wang, Huang W. J., Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030003-1—030003-512. — doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
- ↑ 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.
- ↑ Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
- ↑ 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.
- ↑ 1 2 Би-Би-Си: «Суду рассказали, как в теле Литвиненко нашли полоний». Дата обращения: 29 января 2015. Архивировано 31 января 2015 года.
Литература[править | править код]
- Красавин Е. А. Проблемы ОБЭ и репарация ДНК. — М., 1989.
