Alfa raspad

Šema alfa raspada

Alfa zračenje može zaustaviti papir; beta zračenje može zaustaviti aluminijumski lim debeo nekoliko milimetara; a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča.

Izvor alfa čestica ispod detektora zračenja

Bragova kriva prikazuje broj jonizacijskih parova koje stvaraju alfa čestice na raznim udaljenostima od izvora.

Budući da poluprečnik atomskog jezgra iznosi oko 10^-15 m, a brzina alfa čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 10⁶ m/s, sledi da alfa-čestica dolazi do spoljašnje površine približno 10⁶/10^-15 = 10²¹ puta u sekundi, odnosno da ona pobegne iz jezgra nakon 10²¹ pokušaja. To je zapravo bit tuneliranja ili tunelskog učinka.

Alfa raspad je oblik radioaktivnog raspada u kojem se atomsko jezgro izbacivanjem alfa čestice (atomskog jezgra helijuma) preobraća u jezgro sa masenim brojem, А, manjim za 4 jedinice i naelektrisanjem, Z manjim za 2 jedinice. Raspad može biti prikazan sledećom shemom: ${}_{z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;{}_{z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+\;{}_{2}^{4}\alpha ^{2+},$ gde su X i Y hemijski simboli roditelja, odnosno potomka, z redni a А maseni broj. Na primer, raspad uranijuma (U) se predstavlja nuklearnom reakcijom: ${}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\;\to \;{}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+},$ što se piše i kao: ${}^{238}{\hbox{U}}\;\to \;^{234}{\hbox{Th}}\;+\;\alpha .$ Ili, raspad radijuma (Ra): ${}^{2}{}_{88}^{26}{\hbox{Ra}}\;\to \;{}^{2}{}_{86}^{22}{\hbox{Rn}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+},$ ili :${}^{226}{\hbox{Ra}}\;\to \;^{222}{\hbox{Rn}}\;+\;\alpha .$ Pojednostavljeni izrazi u kojima se naelektrisanje jezgra ne pojavljuje eksplicitno češće se koriste jer na prvi pogled kompletne jednačine izgledaju po naelektrisanjima neuravnotežene. U stvari, uzmaklo jezgro potomka vrlo brzo gubi svoja dva elektrona a na nekom drugom mestu zaustavljena alfa čestica prima dva elektrona i prelazi u neutralni atom helijuma. Dakle, u gornjim reakcijama očuvani su kako brojevi nukleona (neutrona, protona) tako i broj elektrona.)

Alfa raspad se u suštini može smatrati cepanjem atomskog jezgra (nuklearna fisija), gde se jezgro roditelj cepa na dva potomka od kojih je jedan helijum. Alfa raspad se odvija pomoću tunel efekta. Za razliku od beta raspada, alfa raspad se odvija pod uticajem jake sile. Alfa čestice imaju kinetičku energiju reda 5 MeV (tj. ≈0,13% njihove totalne energije koja iznosi 110 TJ/kg) i brzinu od 15.000 km/s (što odgovara brzini približno 0,05c). Uprkos tome, alfa čestice se u vazduhu zaustavljaju na putanji od nekoliko santimetara. Zbog postojanja alfa raspada, skoro celokupna količina helijuma nastalog na Zemlji potiče iz naslaga minerala koji sadrže uranijum i torijum, a na površinu izlazi kao nusproizvod u proizvodnji prirodnog (zemnog) gasa. Alfa raspad čestica je prirodan vid zračenja čestica. Analiza je pokazala da je α-zračenje sastavljeno od dva protona i dva neutrona (konfiguracija helijuma). α-raspad se javlja kod elemenata velikog rednog broja (z > 82). Nastaje emisijom α-čestica iz jezgra isključivo tunel efektom. Energije alfa čestica imaju diskretan spektar i tačno određen spektar vrednosti energija. Vrednosti energija α-čestica su reda veličine nekoliko MeV-a. Prilikom emisije α-čestice, jezgro radioaktivnog elementa (roditelja) je transformisano u jezgro drugog elementa (potomka) čiji je redni broj manji za dva, a maseni za četiri.

Do raspada dolazi zbog nestabilnosti atomskog jezgra odnosno neuravnoteženog broja protona i neutrona u njemu. Neka su atomska jezgra prirodno nestabilna i raspadaju se u dužem ili kraćem vremenskom intervalu (vreme poluraspada), a neka stabilna atomska jezgra mogu postati nestabilna nakon što na njih deluju čestice velike energije. Alfa raspad se događa najčešće kod masivnih jezgara koja imaju prevelik odnos protona u odnosu na neutrone. Alfa čestica s dva protona i dva neutrona je vrlo stabilna konfiguracija nukleona. Mnoga se jezgra masivnija od olova (> 106 u ili više od 106 atomskih jedinica mase) raspadaju ovim raspadom. Najmanja atomska jezgra koja mogu zračiti alfa-čestice je telurijum (Z = 52), koji ima atomsku masu od 106 do 110. Kod alfa raspada atomska masa i redni brojevi jezgra se menjaju, što znači da atomsko jezgro koja se raspada i jezgro nastalo tim raspadom pripadaju različitim hemijskim elementima, te stoga, imaju različita hemijska svojstva.

Kad je odnos neutrona i protona u atomskom jezgru određenih atoma prenizak, oni emitiraju alfa-česticu kako bi uspostavili ravnotežu. Na primer: polonijum-210 ima 126 neutrona i 84 protona, što je odnos od 1,50 prema 1. Nakon radioaktivnog raspada emitovanjem alfa čestice, odnos postaje 124 neutrona naprema 82 protona ili 1,51 naprema 1. Budući da broj protona u jezgru određuje element, polonijum-210 nakon emisije alfa čestice postaje olovo-206 koji je stabilan element. Atomi koji emituju alfa čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, tj. imaju visoke atomske brojeve. Mnogo je prirodnih i veštačkih radioaktivnih elemenata koji emituju alfa čestice. Prirodni izvori alfa-čestica imaju atomski broj najmanje 82, uz neke izuzetke. Najvažniji alfa emiteri su: americijum-241 (Z = 95), plutonijum-236 (Z = 94), uranijum-238 (Z = 92), torijum-232 (Z = 90), radijum-226 (Z = 88), radon-222 (Z = 86). Alfa emiteri su prisutni u različitim količinama u gotovo svim stenama, tlu i vodi. Nakon emisije, alfa čestice se zbog velike mase i električnog naboja kreću se relativno sporo (otprilike 1/20 brzine svetlosti) i u vazduhu potroše svu energiju nakon nekoliko centimetara i tada vežu slobodne elektrone i postaju helijum.

Svojstva alfa raspada

Brzina i energija alfa-čestica

U pogledu početne brzine alfa čestica, energije, dometa, apsorpcije i prodornosti kroz razne materije, kao i sposobnosti jonizacije gasova, 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 svetlosti. Kinetička energija alfa-čestica zavisi od prirode radioaktivnog elementa iz kojeg potiče i kreće se od 4 do 10 MeV. U početku se smatralo da sve alfa čestice, koje emituju radioaktivni elementi, imaju istu brzinu, ali su onda eksperimenti pokazali da jedan radioaktivni izotop može da zrači alfa čestice različitih brzina ili različitih kinetičkih energija. Tako je poznato da radijum-226 zrači alfa čestice sa 4 energetske grupe: 7,68 MeV, 8,277 MeV, 9,066 MeV i 10,505 MeV.

Domet i apsorpcija alfa-čestica

Hans Gajger je empirijskim putem utvrdio zavisnost dometa alfa čestica, pod standardnim pritiskom i temperaturom, od njihove početne brzine. Takođe je Gajger, zajedno s Džonom Natalom, pronašao vezu između vremena poluraspada, odnosno konstante raspadanja λ, nekog radioaktivnog elementa koji zrači alfa čestice i njihovog dometa u vazduhu, što se naziva Gajger-Natalov zakon:

$\ln \lambda =-a_{1}{\frac {Z}{\sqrt {E}}}+a_{2}$

gde je: λ - konstanta raspadanja (λ = ln 2/vreme poluraspada), Z – atomski broj, E – ukupna kinetička energija (alfa čestice i atomskog jezgra iz koga je nastala), te a₁ i a₂ - konstante.

S obzirom na vreme 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 (torijum-232, vreme poluraspada 1,39 x 10¹⁰ godina) do 86 mm (polonijum-212, vreme poluraspada 3 x 10⁻⁷ sekundi). Ni sve alfa čestice jednog istog radioaktivnog elementa nemaju isti domet. Generalno, od ukupnog broja alfa čestica, najveći njihov deo ima isti domet, a manji deo ima više snopova različitog dometa. To znači, da se alfa čestice, koje emituje jedan isti izvor, mogu sastojati iz više grupa različitih brzina, odnosno energija. Uglavnom se pojavljuje spektar alfa čestica, sastavljen od dve ili više odvojenih energetskih grupa.

Iako alfa čestice imaju veliku masu i energiju, ipak su njihovi dometi kratki, jer ih hemijske materije kroz koje prolaze zaustavljaju. Ovo zaustavljanje nastaje zbog međudelovanja pozitivno nabijenih alfa čestica i negativnih elektrona iz materija kroz koje prolaze. Pri tome, elektroni mogu biti izbačeni iz atoma te materije, 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 dobijaju atomi helijuma, koji su električno neutralni. Ipak, pri tome kretanju nastaje vrlo jaka jonizacija.

Jonizacijsko zračenje

Utvrđeno je da alfa čestice koje se zrače iz raznih radioaktivnih elemenata proizvode od 50 000 do 100 000 jonskih parova, na jedan centimetar vazduha, čime nastaje jonizujuće zračenje. Ako se napravi dijagram koji će na apscisi imati udaljenost alfa čestica od izvora zračenja, a na ordinati broj jonizacijskih parova koje stvaraju alfa čestice na raznim udaljenostima od izvora, dobija se Bragova kriva. Na njenom završnom delu, vidi se znatan uspon, a zatim nagli pad.

Tunelisanje ili tunelski učinak

Glavni članak: Tunel efekat

Velika je poteškoća nastala da se objasni kako je moguće da alfa čestice, čija kinetička energija iznosi pri izbacivanju iz radioaktivnih atomskih jezgara od 4 do 10 MeV, prođu kroz potencijalnu energetsku barijeru, čije najveće vrednosti kod elemenata sa velikim atomskim brojem iznose oko 25 MeV. Prema klasičnoj teoriji, izlazi da alfa čestice, koje se nalaze u unutrašnjosti atomskog jezgra, ne mogu prodreti 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 vreme poluraspada, koje na primer za radijum-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 spoljašnjih uticaja, dva protona i dva neutrona u obliku alfa-čestice budu izbačena iz nje.

Taj problem su teoretski rešili 1928. Džordž Gamov, a nezavisno od njega Ronald Gurni i Edvard Kondon, razvivši teoriju tunelisanja. Prema kvantnoj fizici postoji verovatnoća da se alfa čestica s određenom energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere, oslobodi atomskog jezgra, kad dođe do njegove površine. Ova verovatnoća je veća ako je veća energija alfa čestice i ako je širina barijere manja od vrednosti 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 dospeju do spoljašnje površine i da ponovno budu ubačene u atomsko jezgro, postoji učestalost. Vrednost ove učestalosti može se odrediti deljenjem veličine poluprečnika atomskog jezgra s procenjenom brzinom, kojom se alfa čestice kreću u atomskom jezgru. Budući da poluprečnik atomskog jezgra 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 spoljašnje površine približno 10⁶/10⁻¹⁵ = 10²¹ puta u sekundi, odnosno da ona pobegne iz jezgra nakon 10²¹ pokušaja. To je zapravo suština tunelskog efekta.

Istorija

Džordž Gamov je 1928. godine teorijski objasnio alfa raspad preko tunel efekta. Po njegovom modelu, alfa čestica je zarobljena u potencijalnoj jami atomskog jezgra. Prema klasičnoj fizici, njen izlazak iz potencijalne jame nije moguć, međutim, saglasno tada tek otkrivenim principima kvantne mehanike postoji malena, ali veća od nule, verovatnoća za tunelovanje čestice kroz barijeru. Na taj način alfa čestica, uprkos klasičnoj zabrani, uspeva da napusti jezgro.

A Ernest Raderford (Ernest Rutheford) je još 1903. dokazao da je alfa čestica naelektrisana a kasnije i da se radi o atomskom jezgru helijuma.

Toksičnost

Alfa čestice ("alfa zračenje") koje emituju radioaktivni izotopi predstavljaju jedan od najopasnijih oblika zračenja ako se takvi izotopi nađu u ljudskom telu. Kao i sve teške naelektrisane čestice alfa čestice u gustoj sredini gube energiju na vrlo malim rastojanjima od izvora. Zbog toga su u biološkim sistemima izuzetno destruktivne. S druge strane, spoljašnje ozračivanje „alfa zracima“ nije štetno jer čestice kompletno zaustavlja mikrometarski tanak sloj izumrlih ćelija kože kao i nekoliko santimetara vazduha. Međutim, ako se izvor alfa čestica unese u organizam, udisanjem, gutanjem, injektiranjem ili prodorom kroz kožu (šrapnel, vatreno zrno) on postaje ozbiljna opasnost za ugroženi organizam.

Prilično rasprostranjen izvor alfa zračenja je radon, radioaktivni gas koji se nalazi u prirodi i zemljištu, stenama a ponekad i podzemnim vodama. Kada se gasoviti radon udahne nešto atoma se zadrži u unutrašnjosti pluća i nakon izdisaja. Tako zadržana jezgra se vremenom u plućima raspadaju emitujući alfa čestice koje oštećuju okolno tkivo. Šrapneli od artiljerijskih zrna napravljenih od osiromašenog uranijuma predstavljaju još jedan rizik po ljudsko zdravlje.

Prva žrtva ozračivanja alfa česticama je Marija Kiri čija je leukemija prouzrokovana dugotrajnom izlaganju alfa emiterima sa kojima je godinama radila.

U novije vreme, poznato je da je smrt ruskog špijuna Aleksandra Litvinjenka, uzrokovana trovanjem polonijumom-210 (Po-210) koji je jak izvor alfa čestica.

Vidi još

• Beta raspad
• Gama raspad
• Spontani raspad
• Radioaktivnost

Literatura

• Beiser, Arthur (2003). „Chapter 12: Nuclear Transformations”. Concepts of Modern Physics (PDF) (6th izd.). McGraw-Hill. str. 432—434. ISBN 978-0-07-244848-1. Arhivirano iz originala (PDF) 04. 10. 2016. g. Pristupljeno 19. 03. 2019. 

Spoljašnje veze

• Alpha emitters by increasing energy (Appendix 1)
• The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on alpha decay
• Alpha decay with 3 animated examples Архивирано на сајту Wayback Machine (29. децембар 2020) showing the recoil of daughter