mini|Emitiranje alfa-čestice pri alfa raspadu mini|Znak za opasnost od radioaktivnosti mini|Alfa-zračenje može zaustaviti papir; beta-zračenje može zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara; a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča. mini|Izvor alfa-čestica ispod detektora zračenja mini|Braggova krivulja prikazuje broj ionizacijskih parova koje stvaraju alfa-čestice na raznim udaljenostima od izvora. mini|Budući da polumjer atomske jezgre iznosi oko 10-15 m, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 m/s, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10-15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobjegne iz jezgre nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tuneliranja ili tunelskog učinka.
Alfa raspad je pretvaranje jedne atomske jezgre u drugu uz emitiranje alfa-čestica. Jezgra se transformira (ili "raspada") na manju jezgru masenog broja manjeg za 4 i atomskog broja manjeg za 2 i na alfa-česticu. Na primjer: 238U → 234Th + α
Većina helija na Zemlji (oko 99%) je produkt alfa-raspada uranija i torija. Do raspada dolazi zbog nestabilnosti atomske jezgre odnosno neuravnoteženoga broja protona i neutrona u njoj. Neke su atomske jezgre prirodno nestabilne i raspadaju se u dužem ili kraćem vremenskom intervalu (vrijeme poluraspada) a neke stabilne atomske jezgre mogu postati nestabilne nakon što na njih djeluju čestice velike energije.
Alfa raspad se događa najčešće kod masivnih jezgri koje imaju prevelik omjer protona u odnosu na neutrone. Alfa čestica s dva protona i dva neutrona je vrlo stabilna konfiguracija nukleona. Mnoge se jezgre masivnije od olova (> 106 u ili više od 106 atomskih jedinica mase) raspadaju ovim raspadom. Najmanja atomska jezgra koja može zračiti alfa-čestice je telurij (Z = 52), koji ima atomsku masu od 106 do 110. Kod alfa raspada atomska masa i redni brojevi jezgre se mijenjaju, što znači da atomska jezgra koja se raspada i jezgra nastala tim raspadom pripadaju različitim kemijskim elementima, te stoga, imaju različita kemijska svojstva. "Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.
Kad je omjer neutrona i protona u atomskoj jezgri određenih atoma prenizak, oni emitiraju alfa-česticu kako bi uspostavili ravnotežu. Na primjer: polonij-210 ima 126 neutrona i 84 protona što je omjer od 1,50 naprema 1. Nakon radioaktivnog raspada emitiranjem alfa-čestice, omjer postaje 124 neutrona naprema 82 protona ili 1,51 naprema 1. Budući da broj protona u jezgri određuje element, polonij-210 nakon emisije alfa čestice postaje olovo-206 koji je stabilan element. "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011. (Pristupljeno 09.09.2012.)
Atomi koji emitiraju alfa-čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, tj. imaju visoke atomske brojeve. Mnogo je prirodnih i umjetnih radioaktivnih elemenata koji emitiraju alfa-čestice. Prirodni izvori alfa-čestica imaju atomski broj najmanje 82, uz neke iznimke. Najvažniji alfa emiteri su: americij-241 (Z = 95), plutonij-236 (Z = 94), uranij-238 (Z = 92), torij-232 (Z = 90), radij-226 (Z = 88), radon-222 (Z = 86). Alfa emiteri su prisutni u različitim količinama u gotovo svim stijenama, tlu i vodi. Nakon emisije, alfa čestice se zbog velike mase i električnog naboja gibaju relativno sporo (otprilike 1/20 brzine svjetlosti) i u zraku potroše svu energiju nakon nekoliko centimetara i tada vežu slobodne elektrone i postaju helij. "4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija", Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011. (Pristupljeno 09.09.2012.)
Svojstva alfa raspada
Brzina i energija alfa-čestica U pogledu početne brzine alfa-čestica, energije, dometa, apsorpcije i prodornosti kroz razne tvari, kao i sposobnost za ionizaciju plinova, utvrđeno je da one imaju svoje posebne osobine, koje zavise od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiču. Početna brzina alfa-čestica je različita za različite radioaktivne elemente i iznosi od 14 000 do 22 000 km/s, što je oko 5 do 7,5% brzine svjetlosti.
Kinetička energija alfa-čestica ovisi od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiče i kreće se od 4 do 10 MeV. Ispočetka se smatralo da sve alfa-čestice, koje emitiraju radioaktivni elementi, imaju istu brzinu, ali su onda pokusi pokazali da jedan radioaktivni izotop može zračiti alfa-čestice različitih brzina ili različitih kinetičkih energija. Tako je poznato da radij-226 zrači alfa-čestice s 4 energetske grupe: 7,68 MeV, 8,277 MeV, 9,066 MeV i 10,505 MeV.
Domet i apsorpcija alfa-čestica Hans Geiger je empirijskim putem utvrdio ovisnost dometa alfa-čestica, pod standardnim tlakom i temperaturom, o njihovoj početnoj brzini. Također je Geiger, zajedno s Johnom Nuttallom, pronašao vezu između vremena poluraspada, odnosno konstante raspadanja λ, nekog radioaktivnog elementa koji zrači alfa-čestice i njihovog dometa u zraku, što se naziva Geiger-Nuttalov zakon:
gdje je: λ – konstanta raspadanja (λ = ln 2/vrijeme poluraspada), Z – atomski broj, E – ukupna kinetička energija (alfa-čestice i atomske jezgre iz koje je nastala), te a1 i a2 – konstante.
S obzirom na vrijeme poluraspada radioaktivnih elemenata, utvrđeno je da nestabilni atomi s kratkim životom zrače alfa-čestice velike energije, velike brzine i velikog dometa. Domet alfa-čestice se kreće od 28 mm (torij-232, vrijeme poluraspada 1,39 x 1010 godina) do 86 mm (polonij-212, vrijeme poluraspada 3 x 10−7 sekundi).
Ni sve alfa-čestice jednog istog radioaktivnog elementa nemaju isti domet. Općenito, od ukupnog broja alfa-čestica, najveći njihov dio ima isti domet, a manji dio ima više snopova različitog dometa. To znači, da se alfa-čestice, koje emitira jedan isti izvor, mogu sastojati iz više grupa različitih brzina, odnosno energija. Uglavnom se pojavljuje spektar alfa-čestica, sastavljen od dvije ili više odvojenih energetskih grupa.
Iako alfa-čestice imaju veliku masu i energiju, ipak su njihovi dometi kratki, jer ih kemijske tvari kroz koje prolaze zaustavljaju. Ovo zaustavljanje nastaje zbog međudjelovanja pozitivno nabijenih alfa-čestice i negativnih elektrona iz tvari kroz koje prolaze. Pri tome, elektroni mogu biti izbačeni iz atoma te tvari, a potrebnu energiju daje alfa-čestica. Smanjenjem energije alfa-čestice smanjuje se i njena brzina, a to omogućava da se elektroni s njima sastavljaju, pa se tako dobivaju atomi helija, koji su električki neutralni. Ipak, pri tome kretanju nastaje vrlo jaka ionizacija. "Uvod u nuklearnu energetiku", Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.
Ionizacijsko zračenje Utvrđeno je da alfa-čestice koje zrače iz raznih radioaktivnih elemenata proizvode od 50 000 do 100 000 ionskih parova, na jedan centimetar zraka, čime nastaje ionizirajuće zračenje. Ako se napravi dijagram koji će na apscisi imati udaljenost alfa-čestica od izvora zračenja, a na ordinati broj ionizacijskih parova koje stvaraju alfa-čestice na raznim udaljenostima od izvora, dobiva se Braggova krivulja. Na njenom završnom dijelu, vidi se znatan uspon, a zatim nagli pad.
Tuneliranje ili tunelski učinak
Velika je poteškoća nastala da se objasni kako je moguće da alfa-čestice, čija kinetička energija iznosi pri izbacivanju iz radioaktivnih atomskih jezgri od 4 do 10 MeV, da prođu kroz potencijalnu energetsku barijeru, čije najveće vrijednosti kod elemenata s velikim atomskim brojem iznose oko 25 MeV. Prema klasičnoj teoriji, izlazi da alfa-čestice, koje se nalaze u unutrašnjosti atomske jezgre, ne mogu prodrijeti kroz barijeru i iz njega se osloboditi s energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere.
Isto tako, teško je bilo objasniti zašto radioaktivni elementi imaju tako dugo vrijeme poluraspada, koji na primjer za radij-226 iznosi 1600 godina. To znači da se u tako dugom vremenskom periodu, nukleoni (protoni i neutroni) moraju držati zajedno u atomskom jezgru, iako ponekad spontano, bez vanjskih utjecaja, dva protona i dva neutron u obliku alfa-čestice budu izbačeni iz nje.
Taj problem su teoretski riješili 1928. George Gamow, a neovisno o njemu Ronald Gurney i Edward Condon, razvivši teoriju tuneliranja. Prema kvantnoj fizici postoji vjerojatnost da se alfa-čestica s određenom energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere, oslobodi atomskog jezgra, kad dođe do njegove površine. Ova vjerojatnost je veća ako je veća energija alfa-čestice i ako je širina barijere manja od vrijednosti njene energije. Alfa-čestica će na neki način dobiti dovoljnu količinu energije od drugih nuklearnih čestica, za svladavanje potencijalne barijere.
Za alfa-čestice sposobne da dospiju do vanjske površine i da ponovno budu ubačene u atomsko jezgro, postoji učestalost. Vrijednost ove učestalosti može se odrediti dijeljenjem veličine polumjera atomske jezgre s procijenjenom brzinom, kojom se alfa-čestice kreću u atomskoj jezgri. Budući da polumjer atomske jezgre iznosi oko 10−15 m, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 m/s, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10−15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobjegne iz jezgre nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tunel efekta.
Povijest mini|Alfa- čestice skreću u magnetskom polju, koje je okomito na smjer njihovog kretanja. mini|Gornja slika: Očekivani rezultati: alfa-čestice prolaze kroz Thompsonovog modela atoma. Donja slika: Dobiveni rezultati: samo mali dio alfa-čestice skreće, pokazujući da postoji pozitivan naboj u atomskoj jezgri (treba napomenuti da mjere nisu stvarne, atomska jezgra je još puno manja). To je Rutherfordov model atoma. mini|Nuklearna reakcija u kojoj deuterij bombardira litij-6, a nastaju dvije alfa-čestice (protoni su prestavljeni crvenim kuglicama, a neutroni plavim kuglicama) Početkom 20. stoljeća bilo je poznato 5 radioaktivnih elemenata: uranij, torij, polonij, aktinij i radij. Među njima najviše se upotrebljavao radij i to za liječenje raka. Iz radija i njegovih kemijskih spojeva stalno se razvijao jedan plin, koji je isto bio radioaktivan, a nazvan je radijeva emanacija ili radon. Osim radona nastajao je i helij. Iz toga se zaključilo da se radij, ali i svi ostali radioaktivni elementi, pretvaraju u druge elemente s manjom težinom i pri tom postupku zrače. Uočeno je također da je ta prirodna radioaktivnost svojstvena atomima s najvećim atomskim masama i da je to proces koji se događa u unutrašnjosti atoma, znači ne ovisi o vanjskim utjecajima, kao što su tlak, temperatura ili neka kemijska reakcija.
Već 1900. bilo je poznato da jedan dio radioaktivnog zračenja može skrenuti u magnetskom polju. Ernest Rutherford je na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listiće aluminija utvrdio da kod zračenja uranijevih spojeva postoje dvije vrste zraka. Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0,02 mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. Iste godine francuski znanstvenik Paul Villard je otkrio i treću vrstu radioaktivnog zračenja, za koju se utvrdilo da ima veliku prodornu moć i da ne skreće u magnetskom polju, a nazvane su gama-česticama. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivni električni naboj, a beta-čestice negativan električni naboj.
Rutherford i Hans Geiger su 1908. mjerenjem utvrdili da alfa-čestice imaju dvostruki električni naboj, a da im je masa jednaka četverostrukoj masi atoma vodika. Kada alfa-čestica privuče dva elektrona, ona prelazi u atom helija. Iz toga je Rutherford zaključio da su alfa-čestice ustvari ioni helija ili samo atomska jezgra helija. Za beta-čestice se utvrdilo da se u magnetskom i električnom polju ponašaju isto kao i katodne zrake ili elektroni. To znači da su beta-čestice ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre.
Pokus s alfa-česticama i zlatnim listićem