Záření alfa (též α-záření) je typ ionizujícího záření, které je tvořeno jádry helia, konkrétně izotopem helium-4, které je tvořeno dvěma protony (protože se jedná o helium) a dvěma neutrony. Z chemického hlediska se jedná o heliový kationt He2+. Alfa částice vzniká při přeměně radioaktivních jader, známé jako jaderné reakce. Alfa záření je tvořeno alfa částicemi, jedná se tedy o částice hélium-4.
Nejznámější jadernou reakcí, která je zdrojem alfa záření, je alfa rozpad. Radioaktivní jádro při alfa rozpadu vyzáří alfa částici. Samo jádro projde přeměnou a z důvodu zachování elektrického náboje se protonové číslo o 2 sníží, čím se v periodické soustavě prvků posune o dvě místa vlevo. Z důvodu zachování nukleonového čísla se navíc sníží nukleonové číslo o 4. Původní jádro tedy ztrácí přesně dva protony a dva neutrony, které s sebou odnese alfa částice. Změny se velmi dobře sledují v tabulce nuklidů, kde se jádro vlivem alfa rozpadu posune o 2 sloupce vlevo (ztráta 2 neutronů) a o 2 řádky dolů (ztráta 2 protonů).
Alfa částice sehrála důležitou úlohu při Rutherfordových experimentech, které vedly ke vzniku planetárního modelu atomu, což významně ovlivnilo znalosti o struktuře atomu.
Vlastnosti Alfa záření je nejméně pronikavým druhem jaderného záření, který může být odstíněn i listem papíru. To je dáno hmotností jádra hélia, což má 2 hlavní důsledky
Kinetická energie jádra hélia je vysoká, ale kvůli hmotnosti má nízkou rychlost. Pro nerelativitstickou rychlost (do 5 % rychlosti světla) platí kde je rychlost částice, je kinetická energie částice a je její hmotnost. Částice alfa, má oproti, beta záření, které je tvořeno elektrony, při stejných energiích větší ztráty (má menší rychlost a větší náboj). Tento fakt shrnuje Betheho-Blochova formule. Atom helia má ze všech prvků nejvyšší ionizační energii. Ta vyjadřuje, kolik práce se musí vykonat, aby vznikl kation hélia, tj. práce na odtržení 2 elektronů. De facto říká jak moc drží elektrony u sebe a jak moc je trhá jiným atomům, pokud se jedná o kation. V případě alfa-částic, kterému elektrony chybí, se v momentě, kdy se helium potká s libovolným atomem, je jeho schopnost „odtrhnout“ elektrony jiným prvkům natolik silná, že k odtrhnutí dojde a prvek se ionizuje a z kationtu helia se stane atom helia. Ze všech ionizujících záření má alfa-záření právě kvůli tomuto jevu nejsilnější ionizující efekt.
Alfa záření a člověk Z hlediska působení na člověka je dělení motivované tím, že částice je v podstatě okamžitě pohlcena při dotyku s tkání. Proto záření alfa dělíme na:
Vnější záření - je považováno za neškodné, neboť je pohlceno kožními buňkami dlaždicového epitelu, díky čemuž je znemožněn účinek na buňky, které se mohou dělit. Vnitřním zářením - je naopak myšleno působení na části organismu, které nejsou kryté kůží, jako například plíce. Zde může alfa záření poškodit DNA, díky čemuž se buňka může začít nekontrolovaně dělit. Následně dochází ke vzniku rakoviny.
Vlastnosti alfa záření jsou využívány také k léčení. Jeho působení v určitých dávkách aktivuje obranné mechanismy buněk, případně nastartuje proces vedoucí k jejich zániku. V České republice je možné využít například léčebné lázně v Jáchymově.
Zdroje alfa záření Zdroji alfa záření mohou být různé prvky a látky pevného, kapalného i plynného skupenství. Z prvků v pevném skupenství se jedná například o uran či radium, v plynném můžeme zmínit velice známého zástupce radon, který se shromažďuje ve špatně větraných prostorách, jako jsou doly, jeskyně, či domácnosti. Radon je nejtypičtější zdroj vnitřního záření, protože se jedná o plyn, je možné ho vdechnout, kde se poté nakonec rozpadne v plicích. Navíc nebezpečí radonu umocňuje fakt, že je možné být v kontaktu s ním po dlouhou dobu, bez povšimnutí, což postupně kumuluje jeho efekt na zdraví. Dlouhodobé vystavení radonu pak vede k zvýšení pravděpodobnosti výskytu rakoviny, typicky plic. Kvůli tomu je jeho hodnota kontrolována v průběhu vyřizování stavebního povolení.
Vznik Pro popis vzniku je třeba zapsat prvek pomocí počtu protonů v jádře, kterému se říká protonové číslo , a nukleonového čísla , které říká celkový počet protonů a neutronů v jádře. Tím, že zafixujeme počet protonů, říkáme, o který prvek se jedná, zafixováním nukleonového čísla potom, říkáme přesně o který nuklid daného prvku se jedná. Takové značení nuklidu vypadá jako , pokud řekneme o jaký prvek se jedná, tedy vyměníme např. za neon , je možné vypustit protonové číslo. To je běžné, pokud mluvíme přímo o nuklidu ale pro jaderné reakce je výhodné protonové číslo nevypouštět a uvádět prvek např. jako , což označuje neon, který musí mít 10 protonů a 12 neutronů.
Radioaktivní přeměna alfa představuje přeměnu izotopu těžkého prvku doprovázenou emisí částice alfa a uvolněním energie odpovídající hmotnostnímu úbytku v systému. Částice alfa má 2 protony, a celkem 4 nukleony (2 protony + 2 neutrony). Obecný zápis přeměny alfa je
, nebo alternativně
. X a Y jsou jádra nuklidů před a po přeměně alfa E je energetický výtěžek z jedné přeměny ve formě kinetické energie částice alfa a v malé míře také kinetické energie vzniklého jádra (v souladu se zákonem zachování hybnosti). Druhý zápis je běžnější. Počet protonů na levé straně musí být stejný jako na pravé a stejně tak na pravé. V jaderných rovnicích se běžně neuvádí náboj výsledných prvků, poněvadž se neřeší jejich chemie, nýbrž fyzika. V případě, že je třeba elektrický náboj uvádět potom platí
.
Původní nuklid je neutrální, výslednému atomu nicméně kvůli ztrátě 2 protonů přebývají v elektronovém obalu 2 elektrony, má tedy oxidační číslo (záporný náboj) , a alfa záření, jak bylo diskutováno výše má kladný náboj +\mathrm{II}.
Příklad: Přeměna Radium-226 se rozpadá pomocí alfa rozpadu jako
.
Radium alfa rozpadem ztratí 2 protony, stane se z něj jiný prvek (na rozdíl od gamma rozpadu), prvek se dvěma protony méně oproti radiu je radon. Vzhledem ke kladné hodnotě změny energie E (energie se při rozpadu uvolňuje) se nabízí otázka, proč se během krátké doby nerozpadnou všechna jádra uvažovaného nuklidu (stavy s vysokou energií se snaží dostat do stavu s nižší energií, tím že uvolní energii). To je dáno výškou potenciálové bariéry, která je vyšší, než je celková energie částice alfa. V naprosté většině by podle klasické fyziky částice neměla opustit nikdy jádro. Výška potenciálové bariéry je definována přitažlivou jadernou silou a odpudivou elektromagnetickou interakcí. Slabá síla zde nevystupuje, na rozdíl od beta rozpadu, protože nedochází k přeměně částic. V podstatě se elektromagnetická síla snaží vytlačit alfa částici ven (hraje v prospěch rozpadu), zatímco silná síla ji drží uvnitř (hraje v neprospěch rozpadu).
Rozpad alfa je ve skutečnosti výsledkem tunelování potenciálové bariéry. Tunelovaní je extrémně nepravděpodobný jev.
Příklad: Tunelování Pro představu jak funguje vznik alfa částice si zvolme jako příklad jádro uranu 238U, ve kterém se alfa částice vytvoří uvnitř jádra předtím než z jádra unikne. Ve skutečnosti je tento proces mnohem složitější.
Poločas rozpadu 238U je velmi dlouhý, což vyplývá z faktu, že potenciálová bariéra je velice „neprostupná“. Částice alfa, která v jádře přirozeně vzniká i zaniká se pohybuje, relativně volně, uvnitř jádra. K opuštění musí narazit na vnitřní stěnu bariéry v průměru přibližně 1038krát, než se jí podaří uniknout tunelováním. Toto číslo odpovídá 1021 nárazům za sekundu po dobu 4×109 let.
Zaznamenatelné jsou ale pouze částice kterým se podaří uniknout. náhled|247x247pixelů|Alfa rozpad americia-241, vzniká neptunium-237 Při alfa rozpadu se z jádra atomu uvolní společně dva neutrony a dva protony. Tato alfa částice se začne pohybovat od mateřského jádra.
Částice alfa jsou vyzařovány některými radioaktivními jádry atomů, tzv. alfa-zářiči.
Počáteční rychlost (a tedy i energie) uvolňovaných částic alfa je charakteristická pro každý nuklid. Pokud na částice záření působí elektrické nebo magnetické pole, lze tuto rychlost určit, a tak konkrétní izotop detekovat. Z technických důvodů se užívá magnetické pole a výsledku měření se říká magnetické spektrum.
Historie objevu Počátkem roku 1896 se Henri Becquerel dozvěděl o Röntgenově objevu záření. Inspirován tímto objevem, vzápětí pozoroval sám zčernání fotografické desky, na níž je položena nádoba se solí uranu. Svůj objev zveřejnil 2. března 1896 na zasedání pařížské Akademie. Postupnými pokusy vyvrátil hypotézu, že se jedná o druh fluorescence soli a dokázal, že záření způsobuje kovový uran (přednesl 18. 5. 1896).
Po objeviteli bylo tenkrát záření pojmenováno Becquerelovy paprsky. O dva roky později učinili objev stejného záření thoria G. C. Schmidt v Německu a s malým zpožděním nezávisle Marie Curie ve Francii. Důkaz toho, že Becquerelovy paprsky jsou jádra hélia podal v roce 1908 Ernest Rutherford. Uranová sůl byla zatavená ve speciální velmi tenké kapiláře (aby sklo hélium nepohltilo) a uzavřena ve vakuové baňce. Po několika dnech byly v baňce spektroskopicky detekovány stopy hélia.
Reference
Související články Částice Záření beta Záření gama
Externí odkazy
Účinky a druhy záření, technická fyzika, učebnice pro VŠ na pf.jcu.cz
Kategorie:Fyzika částic Kategorie:Radioaktivita Kategorie:Záření