Alfa-čestica

mini|Alfa-čestice su ustvari ioni helija ili samo atomska jezgra helija.

mini|Alfa-zračenje.

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|Vrijeme poluraspada radioaktivnih izotopa ili radionuklida. Treba zapaziti da se teoretska linija za stabilne isotope Z = N (Z – atomski broj i N - broj neutrona), razdvaja od stvarnog odnosa atomskog broja i neutrona, što znači da se s povećanjem atomskog broja, povećava i nestabilnost atomskih jezgri.

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.

mini|Prikaz građe Sunca:: 1. Jezgra 2. Zona zračenja 3. Zona konvekcije 4. Fotosfera 5. Kromosfera 6. Korona 7. Sunčeve pjege 8. Granule 9. Prominencije.

mini|Maglena komora s vidljivim linijama ionizirajućeg zračenja (kratke, debele: alfa-čestice; duge, tanke: beta-čestice).

Alfa-čestica ili α-čestica je jezgra atoma helija složena od dvaju protona i dvaju neutrona. Zato je njezina masa (6,644 · 10−27 kg, relativna atomska masa 4,001 506) približno četiri puta veća od mase protona, električni naboj pozitivan, a po iznosu jednak naboju dvaju elektrona. Izbacivanjem brzih alfa-čestica (pri radioaktivnom raspadu) atomske jezgre nekih kemijskih elemenata prelaze (s vremenom poluraspada u rasponu od 10−7 sekundi do 1010 godina) u atome kojima je atomski broj umanjen za 2, a maseni broj za 4. Roj brzih alfa-čestica čini alfa-zračenje. Alfa-čestica se od jezgre helija se razlikuje samo svojom velikom brzinom gibanja. Najčešća kinetička energija alfa-čestice je 5 MeV, odnosno brzina 15 000 km/s. Označava se He2+ ili 24He2+. Ukupan spin alfa-čestice je nula, pa je ona bozon.

Prirodno nastaje alfa raspadom radioaktivnih atomskih jezgri. Kinetička energija (brzina gibanja) alfa-čestice ovisi o atomskoj jezgri iz koje je emitirana pa je, na primjer, doseg alfa-čestice emitirane iz bizmuta-283, u zraku pri normalnom tlaku i sobnoj temperaturi, 4,7 cm, a iz polonija-218 je 8,5 cm.Počela fizike, Ivan Supek, Miroslav Furić, Školska knjiga, Zagreb 1994 Struja alfa-čestica (alfa-zračenje) vrlo brzo gubi kinetičku energiju zbog jakog ionizirajućeg djelovanja i ne prodire duboko u tvar (zaustavlja ju običan list papira).

Masa alfa čestice je 6,644 656 × 10−27 kg, što odgovara anihilacijskoj energiji od 3,72738 GeV. Alfa-čestice se šire brzinom od oko 1/20 brzine svjetlosti, što je dovoljno sporo da mogu relativno dugo međudjelovati s materijom. Zato imaju jako ionizirajuće djelovanje. Zbog svoje će se veličine brzo sudariti s nekim od atoma i izgubiti energiju, pa im je doseg mali (nekoliko cm), a zaustavlja ih već koža ili komad papira. No, ako se unesu u tijelo hranom ili udisanjem, mogu biti opasne zbog svog jakog ionizirajućeg djelovanja. "Kemija I", chem.grf.unizg.hr, 2011.

Alfa-zračenje Alfa-zračenje ili α-zrake je čestično ionizirajuće zračenje koja se sastoji od roja brzih alfa-čestica (brzine reda 1,6 · 106 m/s) izbačenih iz teških atomskih jezgara radioaktivnim alfa-raspadima. Utvrdio ga je E. Rutherford 1898. Otklonom alfa-zračenja u električnom i magnetskom polju prepoznata su mnoga njegova svojstva (električni naboj, masa i brzina). U međudjelovanju alfa-zračenja i kemijskih tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Primjerice, u zraku alfa-čestice mogu preći tek nekoliko centimetara.

Izvori alfa-čestica

Alfa raspad

Alfa raspad je pretvaranje jedne atomske jezgre u drugu uz zračenje 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. Prema zakonu pomicanja atomi radioaktivnih elemenata koji emitiraju alfa-čestice prelaze u atome, čija je atomska masa manja za 4 atomske jedinice, a atomski broj manji za 2, to jest prelaze u atome elemenata, koji u periodnom sustavu elemenata zauzimaju položaj pomjeren za dva mjesta ulijevo. Na primjer: "Od rude do žutog kolača", Nuklearna elektrana Krško, 2011.

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.

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.

Atomi koji emitiraju alfa-čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, to jest 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.

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.

Energija alfa-čestica zavisi 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 H. Geiger je emprijskim 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 medudjelovanja 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.

Ionizirajuće zračenje

Utvrdeno 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, 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 1 600 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. G. Gamow, a neovisno o njemu Ronald Gurney i E. U. 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.