А́льфа-части́ца (α-частица) — положительно заряженная частица , образованная двумя протонами и двумя нейтронами ; ядро атома гелия-4 ( ${\displaystyle \textstyle {{}_{2}^{4}\mathrm {He} ^{2+}}}$ ) . Впервые обнаружены Э. Резерфордом в 1899 году . 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 или альфа-излучением .

Образование

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: ⁶ Li + ² H = ⁴ He + ⁴ He . 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

Масса альфа-частицы составляет 4,001 506 179 127(63) атомной единицы массы ( 6,644 657 3357(20)⋅10 ⁻²⁷ кг ), что эквивалентно энергии 3727,379 4066(11) МэВ . 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 ) . Избыток массы составляет 2424,9158(1) кэВ . Заряд альфа-частицы положителен и равен удвоенному элементарному заряду , или примерно 3,218·10 ⁻¹⁹ Кл .

Проникающая способность

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/см ² ). 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.

Детектирование

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 . 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

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

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 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 , 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 .

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 .

См. также

Примечания

Литература

• Кра­са­вин Е. А. Про­бле­мы ОБЭ и ре­пара­ция ДНК. — М. , 1989.