Альфа-частица представляет собой ядро гелия. Если у атома гелия убрать электронную оболочку, то останется эта частица. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, имеет сферическую форму с радиусом 10-5 метра. Масса альфа-частицы составляет 6,68 * 10-27 килограмм.
История открытия
На рубеже XIX-XX веков два физика с мировым именем открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, который работал в Канаде в городе Монреале, и французский химик и физик Поль Вийяр, который ставил свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали различные виды радиации по их свойствам проникать через различные среды, а также по их взаимодействию с искусственным магнитным полем.
В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность через различные предметы среди изучаемых видов радиации.
Элементарные частицы: протоны и нейтроны
В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики – электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.
Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10-27 кг и заряд +1,602 * 10–19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10-27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название – “нейтрон”).
Альфа-частицы и их заряд
Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принимать во внимание названные выше цифры, а также учитывать, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы является положительным и равен +3,204 * 10–19 Кл. Отметим, что значение +1,602 * 10–19 Кл принято в физике называть элементарным зарядом, поскольку он равен по модулю этим же величинам у протона и электрона. Таким образом, заряд альфа-частицы равен +2 элементарных заряда.
Масса альфа-частицы
Если учитывать аддитивное свойство физической величины “масса”, то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10-27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.
Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10-27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10-27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост – она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние – нашу альфа-частицу.
Энергия образования
Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной – скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc2, где E – энергия, m – масса, c – скорость света в вакууме.
Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10-27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 108 м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10-27 * 9 * 1016 = 1,35 * 10-12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10−19 Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 106 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).
Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv2/2, где v – скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 107 м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.
Основные физические свойства
Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз – электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу – 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.
Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.
Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.
Проникающая способность
Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.
Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.
Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.
Альфа-частица – продукт радиоактивного распада
Несмотря на то что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, из этих элементарных частиц она в природе не образуется, а получается в результате радиоактивного альфа-распада некоторых химических элементов.
Альфа-распад является одним из видов радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро некоторого химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро другого элемента, масса которого на 4 а.е.м. меньше, чем эта величина у родительского ядра, а порядковый номер в таблице Менделеева на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.
Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольным образом в природе) и вынужденным (вызван в результате какого-либо специального воздействия на атомное ядро). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Так, самым легким элементом, который испытывает спонтанный альфа-распад, является теллурий 106. Уран 238 также претерпевает альфа-распад с образованием технеция 234.
Поскольку альфа-частица обладает двойным положительным элементарным зарядом, она при распаде радиоактивного ядра быстро захватывает электроны, образуя при этом атом гелия. Именно по этой причине во многих породах с большим содержанием альфа-радиоактивных элементов имеются полости, заполненные газом гелием, например в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который находится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.
| 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.
| Альфа-частица | |
| Символ: | 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: | 3,727379240(82) ГэВ (около 6,644656·10−27 кг) |
| Атомная единица массы: | 4,001506179125(62) |
| Энергия связи: | 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон)[1] |
| Время жизни: | Стабилен |
| 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 ( ). Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами или альфа-излучением[2].
Содержание
- 1 Образование
- 2 Свойства
- 3 Проникающая способность
- 4 Детектирование
- 5 Воздействие на электронику
- 6 Воздействие на человека
- 7 См. также
- 8 Примечания
Образование[править | править вики-текст]
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 вики-текст]
Масса альфа-частицы составляет 4,001506179125(62) атомной единицы массы (около 6,644656·10−27 кг), что эквивалентно энергии 3,727379240(82) ГэВ. Спин и магнитный момент равны нулю. Энергия связи составляет 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон)[1]. Заряд альфа-частицы равен удвоенному элементарному заряду, или примерно 3,218·10−19 Кл.
Проникающая способность[править | править вики-текст]
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.
| Энергия α-частиц, МэВ | 4 | 6 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|
| Воздух при нормальных условиях, см | 2,5 | 4,6 | 7,4 | 10,6 |
| Биологическая ткань, мкм | 31 | 56 | 96 | 130 |
| алюминий, мкм | 16 | 30 | 48 | 69 |
Детектирование[править | править вики-текст]
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 вики-текст]
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 вики-текст]
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ[3]. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов и в результате 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[4], 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 следует отметить, что линейная передача энергии высокоэнергичных альфа-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, в связи с чем 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[5].
Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт)[6]. Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества, чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом[6].
См. также[править | править вики-текст]
- Альфа-распад
- Бета-частица
- Гамма-излучение
- Гелион
- Нейтрон
- Ядерная реакция
Примечания[править | править вики-текст]
- ↑ 1 2 Альфа-частица Большая Советская Энциклопедия
- ↑ Взаимодействие частиц с веществом.
- ↑ 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.
- ↑ О. И. Василенко, Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Ж. М. Селиверстова, А. В. Шумаков «РАДИАЦИЯ», М., Изд-во Московского университета. 1996.
- ↑ 1 2 Би-Би-Си: «Суду рассказали, как в теле Литвиненко нашли полоний»
| Альфа-частица | |
| Символ: | α, α2+, He2+ |
|---|---|
 Альфа-частица |
|
| Ядро изотопа: | Гелий-4 |
| Химический элемент: | Гелий |
| Состав: | 2 протона, 2 нейтрона |
| Семья: | Бозон |
| Массовое число (барионное число): | 4 |
| Масса: | 3,727379240(82) ГэВ (около 6,644656⋅10−27 кг) |
| Энергия связи: | 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон) |
| Чётность: | + |
| Спин: | 0 |
| Изотопический спин: | 0 |
| Гиперзаряд: | 4 |
А́льфа-части́ца (α-частица) — положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами; ядро атома гелия-4 ( ). Альфа-частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа-частиц называют альфа-лучами или альфа-излучением.
Краткие факты: Символ:, Ядро изотопа: …
Образование
[1]
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
[2]
Масса альфа-частицы составляет 4,001506179125(62) атомной единицы массы (около 6,644656⋅10−27 кг), что эквивалентно энергии 3,727379240(82) ГэВ. Спин и магнитный момент равны нулю. Энергия связи составляет 28,11 МэВ (7,03 МэВ на нуклон). Заряд альфа-частицы равен удвоенному элементарному заряду, или примерно 3,218·10−19 Кл.
Проникающая способность
[3]
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.
Подробнее: Среда, Энергия α-частиц, МэВ …
Детектирование
[4]
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
[5]
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
[6]
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ. 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, 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.
Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт). Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества (например полония-210), чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом.
From Wikipedia, the free encyclopedia
|
Alpha decay |
|
| Composition | 2 protons, 2 neutrons |
|---|---|
| Statistics | Bosonic |
| Symbol | α, α2+, He2+ |
| Mass | 6.6446573357(20)×10−27 kg[1] 4.001506179127(63) Da[2] 3.7273794066(11) GeV/c2[3] |
| Electric charge | +2 e |
| Spin | 0[4] |
Alpha particles, also called alpha rays or alpha radiation, consist of two protons and two neutrons bound together into a particle identical to a helium-4 nucleus.[5] They are generally produced in the process of alpha decay, but may also be produced in other ways. Alpha particles are named after the first letter in the Greek alphabet, α. The symbol for the alpha particle is α or α2+. Because they are identical to helium nuclei, they are also sometimes written as He2+
or 4
2He2+
indicating a helium ion with a +2 charge (missing its two electrons). Once the ion gains electrons from its environment, the alpha particle becomes a normal (electrically neutral) helium atom 4
2He.
Alpha particles have a net spin of zero. Due to the mechanism of their production in standard alpha radioactive decay, alpha particles generally have a kinetic energy of about 5 MeV, and a velocity in the vicinity of 4% of the speed of light. (See discussion below for the limits of these figures in alpha decay.) They are a highly ionizing form of particle radiation, and (when resulting from radioactive alpha decay) usually have low penetration depth (stopped by a few centimetres of air, or by the skin).
However, so-called long range alpha particles from ternary fission are three times as energetic, and penetrate three times as far. The helium nuclei that form 10–12% of cosmic rays are also usually of much higher energy than those produced by nuclear decay processes, and thus may be highly penetrating and able to traverse the human body and also many metres of dense solid shielding, depending on their energy. To a lesser extent, this is also true of very high-energy helium nuclei produced by particle accelerators.
Name[edit]
Some science authors use doubly ionized helium nuclei (He2+
) and alpha particles as interchangeable terms. The nomenclature is not well defined, and thus not all high-velocity helium nuclei are considered by all authors to be alpha particles. As with beta and gamma particles/rays, the name used for the particle carries some mild connotations about its production process and energy, but these are not rigorously applied.[6] Thus, alpha particles may be loosely used as a term when referring to stellar helium nuclei reactions (for example the alpha processes), and even when they occur as components of cosmic rays. A higher energy version of alphas than produced in alpha decay is a common product of an uncommon nuclear fission result called ternary fission. However, helium nuclei produced by particle accelerators (cyclotrons, synchrotrons, and the like) are less likely to be referred to as “alpha particles”.
Sources of alpha particles[edit]
Alpha decay[edit]
A physicist observes alpha particles from the decay of a polonium source in a cloud chamber
Alpha radiation detected in an isopropanol cloud chamber (after injection of an artificial source radon-220).
The best-known source of alpha particles is alpha decay of heavier (> 106 u atomic weight) atoms. When an atom emits an alpha particle in alpha decay, the atom’s mass number decreases by four due to the loss of the four nucleons in the alpha particle. The atomic number of the atom goes down by two, as a result of the loss of two protons – the atom becomes a new element. Examples of this sort of nuclear transmutation by alpha decay are the decay of uranium to thorium, and that of radium to radon.
Alpha particles are commonly emitted by all of the larger radioactive nuclei such as uranium, thorium, actinium, and radium, as well as the transuranic elements. Unlike other types of decay, alpha decay as a process must have a minimum-size atomic nucleus that can support it. The smallest nuclei that have to date been found to be capable of alpha emission are beryllium-8 and the lightest nuclides of tellurium (element 52), with mass numbers between 104 and 109. The alpha decay sometimes leaves the nucleus in an excited state; the emission of a gamma ray then removes the excess energy.
Mechanism of production in alpha decay[edit]
In contrast to beta decay, the fundamental interactions responsible for alpha decay are a balance between the electromagnetic force and nuclear force. Alpha decay results from the Coulomb repulsion[4] between the alpha particle and the rest of the nucleus, which both have a positive electric charge, but which is kept in check by the nuclear force. In classical physics, alpha particles do not have enough energy to escape the potential well from the strong force inside the nucleus (this well involves escaping the strong force to go up one side of the well, which is followed by the electromagnetic force causing a repulsive push-off down the other side).
However, the quantum tunnelling effect allows alphas to escape even though they do not have enough energy to overcome the nuclear force. This is allowed by the wave nature of matter, which allows the alpha particle to spend some of its time in a region so far from the nucleus that the potential from the repulsive electromagnetic force has fully compensated for the attraction of the nuclear force. From this point, alpha particles can escape.
Ternary fission[edit]
Especially energetic alpha particles deriving from a nuclear process are produced in the relatively rare (one in a few hundred) nuclear fission process of ternary fission. In this process, three charged particles are produced from the event instead of the normal two, with the smallest of the charged particles most probably (90% probability) being an alpha particle. Such alpha particles are termed “long range alphas” since at their typical energy of 16 MeV, they are at far higher energy than is ever produced by alpha decay. Ternary fission happens in both neutron-induced fission (the nuclear reaction that happens in a nuclear reactor), and also when fissionable and fissile actinides nuclides (i.e., heavy atoms capable of fission) undergo spontaneous fission as a form of radioactive decay. In both induced and spontaneous fission, the higher energies available in heavy nuclei result in long range alphas of higher energy than those from alpha decay.
Accelerators[edit]
Energetic helium nuclei (helium ions) may be produced by cyclotrons, synchrotrons, and other particle accelerators. Convention is that they are not normally referred to as “alpha particles.”[citation needed]
Solar core reactions[edit]
Helium nuclei may participate in nuclear reactions in stars, and occasionally and historically these have been referred to as alpha reactions (see triple-alpha process and alpha process).
Cosmic rays[edit]
In addition, extremely high energy helium nuclei sometimes referred to as alpha particles make up about 10 to 12% of cosmic rays. The mechanisms of cosmic ray production continue to be debated.
Energy and absorption[edit]
Example selection of radioactive nuclides with main emitted alpha particle energies plotted against their atomic number.[7] Each nuclide has a distinct alpha spectrum.
The energy of the alpha particle emitted in alpha decay is mildly dependent on the half-life for the emission process, with many orders of magnitude differences in half-life being associated with energy changes of less than 50%, shown by the Geiger–Nuttall law.
The energy of alpha particles emitted varies, with higher energy alpha particles being emitted from larger nuclei, but most alpha particles have energies of between 3 and 7 MeV (mega-electron-volts), corresponding to extremely long and extremely short half-lives of alpha-emitting nuclides, respectively. The energies and ratios are often distinct and can be used to identify specific nuclides as in alpha spectrometry.
With a typical kinetic energy of 5 MeV; the speed of emitted alpha particles is 15,000 km/s, which is 5% of the speed of light. This energy is a substantial amount of energy for a single particle, but their high mass means alpha particles have a lower speed than any other common type of radiation, e.g. β particles, neutrons.[8]
Because of their charge and large mass, alpha particles are easily absorbed by materials, and they can travel only a few centimetres in air. They can be absorbed by tissue paper or by the outer layers of human skin. They typically penetrate skin about 40 micrometres, equivalent to a few cells deep.
Biological effects[edit]
Due to the short range of absorption and inability to penetrate the outer layers of skin, alpha particles are not, in general, dangerous to life unless the source is ingested or inhaled.[9] Because of this high mass and strong absorption, if alpha-emitting radionuclides do enter the body (upon being inhaled, ingested, or injected, as with the use of Thorotrast for high-quality X-ray images prior to the 1950s), alpha radiation is the most destructive form of ionizing radiation. It is the most strongly ionizing, and with large enough doses can cause any or all of the symptoms of radiation poisoning. It is estimated that chromosome damage from alpha particles is anywhere from 10 to 1000 times greater than that caused by an equivalent amount of gamma or beta radiation, with the average being set at 20 times. A study of European nuclear workers exposed internally to alpha radiation from plutonium and uranium found that when relative biological effectiveness is considered to be 20, the carcinogenic potential (in terms of lung cancer) of alpha radiation appears to be consistent with that reported for doses of external gamma radiation i.e. a given dose of alpha-particles inhaled presents the same risk as a 20-times higher dose of gamma radiation.[10] The powerful alpha emitter polonium-210 (a milligram of 210Po emits as many alpha particles per second as 4.215 grams of 226Ra) is suspected of playing a role in lung cancer and bladder cancer related to tobacco smoking.[11] 210Po was used to kill Russian dissident and ex-FSB officer Alexander V. Litvinenko in 2006.[12]
When alpha particle emitting isotopes are ingested, they are far more dangerous than their half-life or decay rate would suggest, due to the high relative biological effectiveness of alpha radiation to cause biological damage. Alpha radiation is an average of about 20 times more dangerous, and in experiments with inhaled alpha emitters, up to 1000 times more dangerous[13] than an equivalent activity of beta emitting or gamma emitting radioisotopes.
History of discovery and use[edit]
Alpha radiation consists of helium-4 nucleus and is readily stopped by a sheet of paper. Beta radiation, consisting of electrons, is halted by an aluminium plate. Gamma radiation is eventually absorbed as it penetrates a dense material. Lead is good at absorbing gamma radiation, due to its density.
An alpha particle is deflected by a magnetic field
Dispersing of alpha particles on a thin metal sheet
In 1899, physicists Ernest Rutherford (working in McGill University in Montreal, Canada) and Paul Villard (working in Paris) separated radiation into three types: eventually named alpha, beta, and gamma by Rutherford, based on penetration of objects and deflection by a magnetic field.[14] Alpha rays were defined by Rutherford as those having the lowest penetration of ordinary objects.
Rutherford’s work also included measurements of the ratio of an alpha particle’s mass to its charge, which led him to the hypothesis that alpha particles were doubly charged helium ions (later shown to be bare helium nuclei).[15] In 1907, Ernest Rutherford and Thomas Royds finally proved that alpha particles were indeed helium ions.[16] To do this they allowed alpha particles to penetrate a very thin glass wall of an evacuated tube, thus capturing a large number of the hypothesized helium ions inside the tube. They then caused an electric spark inside the tube. Subsequent study of the spectra of the resulting gas showed that it was helium and that the alpha particles were indeed the hypothesized helium ions.
Because alpha particles occur naturally, but can have energy high enough to participate in a nuclear reaction, study of them led to much early knowledge of nuclear physics. Rutherford used alpha particles emitted by radium bromide to infer that J. J. Thomson’s Plum pudding model of the atom was fundamentally flawed. In Rutherford’s gold foil experiment conducted by his students Hans Geiger and Ernest Marsden, a narrow beam of alpha particles was established, passing through very thin (a few hundred atoms thick) gold foil. The alpha particles were detected by a zinc sulfide screen, which emits a flash of light upon an alpha particle collision. Rutherford hypothesized that, assuming the “plum pudding” model of the atom was correct, the positively charged alpha particles would be only slightly deflected, if at all, by the dispersed positive charge predicted.
It was found that some of the alpha particles were deflected at much larger angles than expected (at a suggestion by Rutherford to check it) and some even bounced almost directly back. Although most of the alpha particles went straight through as expected, Rutherford commented that the few particles that were deflected was akin to shooting a fifteen-inch shell at tissue paper only to have it bounce off, again assuming the “plum pudding” theory was correct. It was determined that the atom’s positive charge was concentrated in a small area in its center, making the positive charge dense enough to deflect any positively charged alpha particles that came close to what was later termed the nucleus.
Prior to this discovery, it was not known that alpha particles were themselves atomic nuclei, nor was the existence of protons or neutrons known. After this discovery, J.J. Thomson’s “plum pudding” model was abandoned, and Rutherford’s experiment led to the Bohr model and later the modern wave-mechanical model of the atom.
Energy-loss (Bragg curve) in air for typical alpha particle emitted through radioactive decay.
The trace of a single alpha particle obtained by nuclear physicist Wolfhart Willimczik with his spark chamber specially made for alpha particles.
In 1917, Rutherford went on to use alpha particles to accidentally produce what he later understood as a directed nuclear transmutation of one element to another. Transmutation of elements from one to another had been understood since 1901 as a result of natural radioactive decay, but when Rutherford projected alpha particles from alpha decay into air, he discovered this produced a new type of radiation which proved to be hydrogen nuclei (Rutherford named these protons). Further experimentation showed the protons to be coming from the nitrogen component of air, and the reaction was deduced to be a transmutation of nitrogen into oxygen in the reaction
- 14N + α → 17O + p
This was the first discovered nuclear reaction.
To the adjacent pictures: According to the energy-loss curve by Bragg, it is recognizable that the alpha particle indeed loses more energy on the end of the trace.[17]
Anti-alpha particle[edit]
In 2011, members of the international STAR collaboration using the Relativistic Heavy Ion Collider at the U.S. Department of Energy’s Brookhaven National Laboratory detected the antimatter partner of the helium nucleus, also known as the anti-alpha.[18] The experiment used gold ions moving at nearly the speed of light and colliding head on to produce the antiparticle.[19]
Applications[edit]
- Some smoke detectors contain a small amount of the alpha emitter americium-241. The alpha particles ionize air within a small gap. A small current is passed through that ionized air. Smoke particles from fire that enter the air gap reduce the current flow, sounding the alarm. The isotope is extremely dangerous if inhaled or ingested, but the danger is minimal if the source is kept sealed. Many municipalities have established programs to collect and dispose of old smoke detectors, to keep them out of the general waste stream.
- Alpha decay can provide a safe power source for radioisotope thermoelectric generators used for space probes and artificial heart pacemakers. Alpha decay is much more easily shielded against than other forms of radioactive decay. Plutonium-238, a source of alpha particles, requires only 2.5 mm of lead shielding to protect against unwanted radiation.
- Static eliminators typically use polonium-210, an alpha emitter, to ionize air, allowing the “static cling” to more rapidly dissipate.
- Researchers are currently trying to use the damaging nature of alpha emitting radionuclides inside the body by directing small amounts towards a tumor.
Alpha particles to treat cancer[edit]
Alpha-emitting radionuclides are presently being used in three different ways to eradicate cancerous tumors: as an infusible radioactive treatment targeted to specific tissues (Radium-223), as a source of radiation inserted directly into solid tumors (Radium-224), and as an attachment to an tumor-targeting molecule, such as an antibody to a tumor-associated antigen.
Radium-223[edit]
- Radium-223 is an alpha emitter that is naturally attracted to the bone because it is a calcium mimetic. Radium-223 (in the form of Ra-Cl2) can be infused into a cancer patient’s veins, after which it migrates to parts of the bone where there is rapid turnover of cells due to the presence of metastasized tumors.
- Once within the bone, Ra-223 emits alpha radiation that can destroy tumor cells within a 100-micron distance. A drug whose chemical name is Radium-223 dichloride and trade name is Xofigo® has been in use since 2013 to treat prostate cancer which has metastasized to the bone.[20]
- Radionuclides infused into the circulation are able to reach sites that are accessible to blood vessels. This means, however, that the interior of a large tumor that is not vascularized (i.e., is not well penetrated by blood vessels) may not be effectively eradicated by the radioactivity.
Radium-224[edit]
- Radium-224 is a radioactive atom that is utilized as a source of alpha radiation in a newly developed cancer treatment device called DaRT Diffusing alpha emitters radiation therapy, with the trade name Alpha DaRT™.
- Alpha DaRT seeds are cylindrical tubes made out of stainless steel impregnated with Radium-224 atoms. Each Radium-224 atom undergoes a decay process producing 6 daughter atoms. During this process, 4 alpha particles are emitted. The range of an alpha particle—up to 100 microns—is insufficient to cover the width of many tumors. However, Radium-224’s daughter atoms can diffuse up to 2–3 mm in the tissue, thus creating a “kill region” with enough radiation to potentially destroy an entire tumor, if the seeds are placed appropriately.[21]
- Radium-224’s half-life is short enough at 3.6 days to produce a rapid clinical effect while avoiding the risk of radiation damage due to overexposure. At the same time, the half-life is long enough to allow for handling and shipping the seeds to a cancer treatment center at any location across the globe.
Targeted Alpha Therapy[edit]
- Targeted alpha therapy for solid tumors involves attaching an alpha-particle-emitting radionuclide to a tumor-targeting molecule such as an antibody, that can be delivered by intravenous administration to a cancer patient.
- Traditionally, such antibody-radionuclide conjugates have used beta-particle emitting radionuclides. For example, Iodine-131 has long been used to treat thyroid cancer.
- Recently, alpha emitter Actinium-225 has been tested in studies as a cancer treatment for metastatic prostate cancer. Ac-225 is attached to prostate-specific-membrane-antigen (PSMA) and is practical for clinical use because it has a short half-life of approximately 10 days, and produces 4 alpha emissions in its decay path to Bismuth-209.
Alpha radiation and DRAM errors[edit]
In computer technology, dynamic random access memory (DRAM) “soft errors” were linked to alpha particles in 1978 in Intel’s DRAM chips. The discovery led to strict control of radioactive elements in the packaging of semiconductor materials, and the problem is largely considered to be solved.[22]
See also[edit]
- Alpha nuclide
- Alpha process (Also known as alpha-capture, or the alpha-ladder)
- Beta particle
- Cosmic rays
- Helion, the nucleus of helium-3 rather than helium-4
- List of alpha emitting materials
- Nuclear physics
- Particle physics
- Radioactive isotope
- Rays:
- β (beta) rays
- γ Gamma ray
- δ Delta ray
- ε Epsilon radiation
- Rutherford scattering
References[edit]
- ^ “2018 CODATA Value: alpha particle mass”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 10 September 2022.
- ^ “2018 CODATA Value: alpha particle mass in u”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 11 September 2022.
- ^ “2018 CODATA Value: alpha particle mass energy equivalent in MeV”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 11 September 2022.
- ^ a b
Krane, Kenneth S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. pp. 246–269. ISBN 978-0-471-80553-3. - ^ Bohan, Elise; Dinwiddie, Robert; Challoner, Jack; Stuart, Colin; Harvey, Derek; Wragg-Sykes, Rebecca; Chrisp, Peter; Hubbard, Ben; Parker, Phillip; et al. (Writers) (February 2016). Big History. Foreword by David Christian (1st American ed.). New York: DK. p. 58. ISBN 978-1-4654-5443-0. OCLC 940282526.
- ^
Darling, David. “Alpha particle”. Encyclopedia of Science. Archived from the original on 14 December 2010. Retrieved 7 December 2010. - ^ Firestone, Richard B. (1999). Table of isotopes. Coral M. Baglin (8th ed., 1999 update with CD-ROM ed.). New York: Wiley. ISBN 0-471-35633-6. OCLC 43118182.
- ^ N.B. Since gamma rays are electromagnetic (light) they move at the speed of light (c). Beta particles often move at a large fraction of c, and exceed 60% c whenever their energy is > 64 keV, which it commonly is. Neutron velocity from nuclear reactions ranges from about 6% c for fission to as much as 17% c for fusion.
- ^
Christensen, D. M.; Iddins, C. J.; Sugarman, S. L. (2014). “Ionizing radiation injuries and illnesses”. Emergency Medicine Clinics of North America. 32 (1): 245–65. doi:10.1016/j.emc.2013.10.002. PMID 24275177. - ^
Grellier, James; et al. (2017). “Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides”. Epidemiology. 28 (5): 675–684. doi:10.1097/EDE.0000000000000684. PMC 5540354. PMID 28520643. - ^
Radford, Edward P.; Hunt, Vilma R. (1964). “Polonium-210: A Volatile Radioelement in Cigarettes”. Science. 143 (3603): 247–249. Bibcode:1964Sci…143..247R. doi:10.1126/science.143.3603.247. PMID 14078362. S2CID 23455633. - ^
Cowell, Alan (24 November 2006). “Radiation Poisoning Killed Ex-Russian Spy”. The New York Times. Retrieved 15 September 2011. - ^
Little, John B.; Kennedy, Ann R.; McGandy, Robert B. (1985). “Effect of Dose Rate on the Induction of Experimental Lung Cancer in Hamsters by α Radiation”. Radiation Research. 103 (2): 293–9. Bibcode:1985RadR..103..293L. doi:10.2307/3576584. JSTOR 3576584. PMID 4023181. - ^ Rutherford distinguished and named α and β rays on page 116 of: E. Rutherford (1899) “Uranium radiation and the electrical conduction produced by it,” Philosophical Magazine, Series 5, vol. 47, no. 284, pages 109–163. Rutherford named γ rays on page 177 of: E. Rutherford (1903) “The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium,” Philosophical Magazine, Series 6, vol. 5, no. 26, pages 177–187.
- ^ Hellemans, Alexander; Bunch, Bryan (1988). The Timetables of Science. Simon & Schuster. p. 411. ISBN 0671621300.
- ^ E. Rutherford and T. Royds (1908) “Spectrum of the radium emanation,” Philosophical Magazine, Series 6, vol. 16, pages 313–317.
- ^ Magazine “nuclear energy” (III/18 (203) special edition, Volume 10, Issue 2 /1967.
- ^
Agakishiev, H.; et al. (STAR collaboration) (2011). “Observation of the antimatter helium-4 nucleus”. Nature. 473 (7347): 353–6. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Natur.473..353S. doi:10.1038/nature10079. PMID 21516103. S2CID 118484566.. See also “Erratum”. Nature. 475 (7356): 412. 2011. arXiv:1103.3312. doi:10.1038/nature10264. S2CID 4359058. - ^
“Antihelium-4: Physicists nab new record for heaviest antimatter”. PhysOrg. 24 April 2011. Retrieved 15 November 2011. - ^ Parker, C; Nilsson, S; Heinrich, D (18 July 2013). “Alpha emitter radium-223 and survival in metastatic prostate cancer”. New England Journal of Medicine. 369 (3): 213–23. doi:10.1056/NEJMoa1213755. PMID 23863050.
- ^ Arazi, L; Cooks, T; Schmidt, M; Keisari, Y; Kelson, I (21 August 2007). “Treatment of solid tumors by interstitial release of recoiling short-lived alpha emitters”. Phys Med Biol. 52 (16): 5025–42. Bibcode:2007PMB….52.5025A. doi:10.1088/0031-9155/52/16/021. PMID 17671351. S2CID 1585204.
- ^ May, T. C.; Woods, M. H. (1979). “Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories”. IEEE Transactions on Electron Devices. 26 (1): 2–9. Bibcode:1979ITED…26….2M. doi:10.1109/T-ED.1979.19370. S2CID 43748644.
Further reading[edit]
- Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.
External links[edit]
Media related to Alpha particles at Wikimedia Commons
