Radiazione alfa

Emissione di una particella alfa (protoni rossi, neutroni blu)

La radiazione alfa o radiazione α è una radiazione ionizzante che si verifica durante il decadimento alfa , un tipo di decadimento radioattivo dei nuclei atomici. Un nuclide radioattivo che emette questa radiazione è noto come emettitore alfa . Il nome deriva dalla classificazione di Rutherford delle radiazioni da sostanze radioattive in raggi alfa, beta e gamma (in ordine crescente di potere di penetrazione). La radiazione alfa è radiazione particellare , perché il nucleo atomico in decomposizione ( nucleo madre ) emette un nucleo atomico di elio- 4, che in questo caso è chiamato particella alfa , e diventa così un nucleo figlio .

Il simbolo della particella alfa è la piccola lettera greca α (alfa).

Fisica del decadimento alfa

Processo di decadimento

Spettro alfa degli isotopi di plutonio ²⁴² Pu, ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu e ²³⁸ Pu. La sbavatura (scodamento) di ciascun picco sul suo lato a bassa energia (sinistra) è causata dalla perdita di energia dovuta a collisioni anelastiche delle particelle alfa all'interno del campione.

La particella alfa è il nucleo di un atomo di elio-4, è un catione bivalente dell'elio. Consiste di due protoni e due neutroni . Il numero di massa del nucleo diminuisce di quattro unità durante il decadimento alfa, il numero atomico di due unità. Se X denota il nuclide madre e Y il nuclide figlio, l'energia rilasciata durante il decadimento, e se i numeri di massa sono scritti in alto e i numeri ordinali in basso, quanto segue si applica al decadimento alfa in generale: ${\ displaystyle \ Delta E}$${\ stile di visualizzazione A}$${\ stile di visualizzazione Z}$

${\ displaystyle {} _ {Z} ^ {A} \ mathrm {X} \ a {} _ {Z-2} ^ {A-4} \ mathrm {Y} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {Lui} + \ Delta E}$.

Un esempio concreto è:

${\ displaystyle {} _ {\ 62} ^ {146} \ mathrm {Sm} \ a {} _ {\ 60} ^ {142} \ mathrm {Nd} + {} _ {2} ^ {4} \ mathrm {Lui} +2 {,} 529 \, \ mathrm {MeV}}$.

La particella alfa esce dal nucleo con una velocità di uscita compresa tra circa 10.000 km/s e 20.000 km/s, corrispondente ad un'energia cinetica di pochi MeV . L'eccesso iniziale di elettroni nell'atomo figlio che si crea viene ridotto dal rinculo del decadimento e dall'interazione (equilibrio di carica) con la materia circostante.

Spettro energetico

Coulombwall . Potenziale del modello per una particella alfa, che è composto dal potenziale del nucleo a corto raggio approssimato da un potenziale pozzo e dal potenziale di Coulomb a lungo raggio.

Come con qualsiasi decadimento radioattivo, il decadimento alfa rilascia una quantità ben definita di energia. Corrisponde alla massa che si perde come difetto di massa durante il processo. Questa energia si manifesta come l'energia cinetica della particella alfa e del nucleo figlio; In alcuni casi, parte dell'energia può inizialmente rimanere come stato eccitato del nucleo figlio e successivamente essere dissipata come radiazione gamma . L'energia cinetica è distribuita tra le due particelle nella proporzione inversa delle loro masse (vedi cinematica (processi particellari) ). Le particelle alfa emesse da un dato nuclide hanno quindi, a differenza, ad esempio, del decadimento beta, solo valori molto specifici dell'energia cinetica , cioè cioè, il suo spettro energetico è uno spettro lineare . Questo spettro è caratteristico del rispettivo radionuclide. La sua misurazione può quindi essere utilizzata per determinare questo nuclide. ${\ stile di visualizzazione E = mc ^ {2}}$

Coulombwall, effetto tunnel

Da un lato, la particella alfa è attratta verso il nucleo dall'interazione forte , ma allo stesso tempo è respinta elettricamente a causa delle cariche omonime. La forza nucleare più forte ha un raggio corto, la repulsione elettrostatica più debole un raggio lungo. Quindi il potenziale forma una sorta di barriera, il Muro di Coulomb . La parete è superiore all'energia cinetica disponibile per la particella alfa. Secondo la fisica classica, la particella alfa sarebbe quindi stabilmente legata nel nucleo; tuttavia, può lasciarlo per mezzo dell'effetto tunnel della meccanica quantistica . La probabilità di ciò per unità di tempo può essere molto piccola. Determina l' emivita del decadimento. La relazione osservata tra l'emivita e l'energia delle particelle alfa emesse è descritta dalla regola di Geiger-Nuttall .

Radionuclidi con decadimento alfa

Tipici emettitori alfa presenti in natura sono l' uranio e il torio così come i loro prodotti di decadimento radio e radon . L'energia cinetica di una particella alfa è tipicamente dell'ordine di  2-5 MeV . Le particelle alfa dei nuclidi generati artificialmente possono, tuttavia, avere energie superiori a 10 MeV. Le energie alfa e le emivite dei singoli nuclidi possono essere ricercate nell'elenco degli isotopi e sono riportate nelle mappe dei nuclidi .

Secondo la formula di massa di Bethe-Weizsäcker, il decadimento alfa determina un rilascio di energia positivo per tutti i nuclidi dal numero di massa 165, perché la somma delle masse della particella alfa e del nucleo figlio così calcolata è minore della massa di il nucleo materno. Tuttavia, il decadimento alfa non è mai stato osservato in molti nuclidi pesanti. Tuttavia, negli ultimi decenni alcuni nuclidi che prima erano considerati stabili sono stati “esposti” come emettitori alfa estremamente longevi, ad esempio ¹⁴⁹ Sm , ¹⁵² Gd e ¹⁷⁴ Hf . Solo negli anni 2000 è stato possibile rilevare il decadimento alfa con emivite di qualche trilione di anni a ¹⁸⁰ W e ²⁰⁹ Bi .

prova

In linea di principio, tutti i rilevatori di particelle sono adatti per rilevare radiazioni alfa, ad esempio per scopi di protezione dalle radiazioni . Tuttavia, la radiazione deve poter raggiungere l'interno del rivelatore, il volume sensibile ; un controtubo deve avere una finestra di pellicola sufficientemente sottile per questo. Adatti sono ad es. B. i consueti dispositivi di rilevamento della contaminazione . Per misurazioni precise, ad esempio per determinare lo spettro energetico della radiazione, la sorgente di radiazione e il rivelatore devono trovarsi in un vuoto comune . Di solito viene utilizzato un rivelatore a semiconduttore .

Interazione con la materia

La radiazione alfa è la radiazione ionizzante più facile da schermare .

Profondità di penetrazione, gamma

A causa della loro carica elettrica e della massa relativamente grande di 4  u , le particelle alfa hanno solo una piccolissima profondità di penetrazione nella materia .

Oltre alla rispettiva energia, la portata dipende essenzialmente dalla densità del mezzo circostante. In aria a pressione normale è di circa 10 cm (a 10 MeV) ed è inversamente proporzionale alla pressione dell'aria. Nell'alta atmosfera della terra sono centinaia di chilometri. La causa è la dipendenza dalla pressione del percorso libero delle particelle alfa, i. H. la distanza tra i partner di collisione ( molecole ) a cui le particelle alfa trasferiscono successivamente la loro energia cinetica.

La ionizzazione delle particelle alfa è più densa, ad es. H. il numero di ioni che la particella genera per unità di lunghezza del suo percorso è molto più alto , ad esempio rispetto alle radiazioni beta o gamma . In una camera a nebbia , le tracce generate dalla radiazione alfa appaiono quindi più corte e spesse rispetto a quelle dei raggi beta di energia simile. La profondità di penetrazione di una particella alfa da 5,5 MeV in acqua o materiale organico è di conseguenza solo di circa 45 μm. Un foglio di carta un po' più spesso o pochi centimetri d'aria sono generalmente sufficienti per schermare completamente la radiazione alfa.

Spettrometro alfa aperto con campione e rivelatore (sopra)

Effetto biologico

La radiazione alfa che colpisce il corpo umano dall'esterno è relativamente innocua, poiché le particelle alfa, a causa della loro bassa profondità di penetrazione, penetrano prevalentemente solo negli strati superiori della pelle morta e vi rimangono. D' altra parte, un emettitore alfa che viene incorporato ( incorporato ) nell'organismo per inalazione o altro è molto dannoso, poiché le sue radiazioni danneggiano le cellule viventi. In particolare, quando un emettitore alfa si accumula in un organo, la dose di radiazioni si concentra in un piccolo spazio e, in determinate circostanze, ha un effetto su importanti cellule del corpo . Il fattore di ponderazione delle radiazioni per le radiazioni alfa è stato impostato su 20, mentre è solo 1 per le radiazioni beta e gamma. Per lo stesso input di energia, si presume 20 volte l'effetto dannoso per la radiazione alfa.

Nella balneologia del radon , si presume che le radiazioni alfa a basse dosi abbiano un effetto curativo a causa del contenuto di radon di alcuni bagni terapeutici (ad es. Badgastein ).

A causa della grande massa della particella alfa, il nucleo figlio riceve anche una parte notevole dell'energia rilasciata quando l'alfa decade. Questo è stato scoperto nel 1909 da Lise Meitner e Otto Hahn e corrisponde alla cinematica del decadimento a due particelle. Le energie del nucleo figlia sono fino a circa 200 keV. Con gli emettitori alfa incorporati, i nuclei di rinculo contribuiscono quindi anche al danno tissutale.

Applicazioni

Batteria isotopica

Una pallina di plutonio ( ²³⁸ Pu) risplende del proprio decadimento

Gli emettitori alfa (principalmente elementi transuranici ) con un'emivita relativamente breve possono riscaldarsi fino al calore rosso a causa del proprio decadimento alfa. Questo è possibile perché quasi tutte le particelle alfa ad alta energia prodotte durante il loro decadimento sono ancora trattenute al loro interno dai loro atomi pesanti e danno loro la loro energia cinetica sotto forma di calore. Se generano anche poca radiazione gamma e la loro emivita (di solito da pochi anni a decenni) è sufficientemente lunga, il calore emesso può essere utilizzato nelle batterie di radionuclidi per generare energia elettrica.

rilevatore di fumo

Gli emettitori alfa sono utilizzati anche nei rilevatori di fumo a ionizzazione . Questi rilevano il fumo misurando la conduttività dell'aria ionizzata dai raggi alfa, poiché le particelle di fumo modificano la conduttività.

Elio prodotto finale

Se le particelle alfa hanno scomposto la maggior parte della loro energia cinetica dopo molte collisioni con la materia, sono così lente da poter intrappolare gli elettroni . Questo crea il gas nobile elio , di gran lunga l'isotopo dell'elio più comune, l'elio-4.

L'elio prodotto dalla radiazione alfa emessa all'interno della terra si diffonde con relativa facilità attraverso i minerali. Nelle bolle di gas naturale raggiunge concentrazioni di qualche percento, per cui anche singole fonti di gas naturale possono essere utilizzate economicamente per la produzione di elio.

L'elio nell'atmosfera continua a salire a causa della sua bassa densità; Ad altitudini comprese tra 700 e 1700 km, l'elio è il gas più comune. Una parte minuscola, ma non più trascurabile, dei suoi atomi raggiunge la velocità di fuga della terra e sfugge per sempre al campo gravitazionale terrestre.

"Raggi alfa" da fonti diverse da quelle radioattive

In fisica , il termine particella alfa è solitamente usato per descrivere qualsiasi nucleo di elio-4 completamente ionizzato , anche se non proviene da un decadimento radioattivo. Ad esempio, circa il 12% di tutte le particelle nei raggi cosmici galattici sono particelle alfa. Ciò non sorprende poiché l'elio è uno degli elementi più abbondanti nell'universo. Tuttavia, questa parte dei raggi cosmici non raggiunge mai il suolo.

Le particelle alfa possono anche essere create artificialmente dal gas elio in una sorgente ionica . Se sono in un acceleratore di particelle accelera il raggio è talvolta chiamato getto Alpha di conseguenza .

Storia della ricerca

La radiazione alfa è stata la prima forma di radioattività ad essere rilevata. Antoine Henri Becquerel lo scoprì nel 1896 attraverso l'annerimento di lastre fotografiche confezionate a tenuta di luce con sali di uranio . Ulteriori ricerche di Marie Curie e Pierre Curie hanno portato, tra l'altro, all'isolamento dei prodotti di decadimento dell'uranio radio e polonio e alla prova che anche questi sono emettitori alfa. I tre ricercatori ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per questo risultato nel 1903 .

Nel 1898, Ernest Rutherford dimostrò che diversi tipi di radiazioni ionizzanti potevano essere distinti per le loro diverse capacità di penetrazione e coniò i termini radiazione α e β. Nel 1899, Stefan Meyer , Egon Schweidler e Friedrich Giesel hanno dimostrato la differenziazione attraverso diverse deviazioni nel campo magnetico.

Osservando le righe spettrali durante la scarica di gas , Rutherford fu in grado di dimostrare l'identità delle particelle alfa come nuclei di elio nel 1908.

Nel 1911, Rutherford utilizzò i raggi alfa per i suoi esperimenti di diffusione, che portarono alla creazione del modello atomico di Rutherford .

Nel 1913, Kasimir Fajans e Frederick Soddy stabilirono i teoremi di spostamento radioattivo che determinano il nuclide prodotto durante il decadimento alfa .

Con i raggi alfa che colpiscono i nuclei atomici di azoto, Rutherford fu in grado di osservare per la prima volta una conversione artificiale di un elemento nel 1919: l'ossigeno fu creato nella reazione nucleare ¹⁴ N (α, p) ¹⁷ O o, più completamente scritto,

${\ displaystyle _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} + {} _ {2} ^ {4} \ alpha \ a {} _ {\ 8} ^ {17} \ mathrm {O} + { } _ {1} ^ {1} \ mathrm {p}}$.

Nel 1928 George Gamow trovò la spiegazione della meccanica quantistica del decadimento alfa attraverso l' effetto tunnel , vedi anche Fattore di Gamow .

letteratura

• Werner Stolz, radioattività. Fondamenti - Misura - Applicazioni , Teubner, 5a edizione, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .

Fisica Nucleare

• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik , Teubner, 6a edizione 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge : Fisica nucleare. Un introduzione ; con 24 tabelle, 89 esercizi con soluzioni dettagliate oltre a box per le spiegazioni e una panoramica storica dello sviluppo della fisica nucleare. Springer, Berlino 1996, ISBN 3-540-61236-X .
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro: Fondamenti di fisica nucleare: dalla struttura nucleare alla cosmologia , Springer, New York 2005, ISBN 0-387-01672-4 .

Storia della ricerca

• Milorad Mlađenović, La storia della prima fisica nucleare (1896-1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Protezione dalle radiazioni

• Hanno Krieger: Fondamenti di fisica delle radiazioni e radioprotezione . Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .
• Claus Grupen: Corso base di radioprotezione. Conoscenze pratiche per la manipolazione di sostanze radioattive , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin: Fisica per la protezione dalle radiazioni , John Wiley & Sons, New York 2006, ISBN 0-471-35373-6 .

medicinale

• Günter Goretzki: Radiazioni mediche. Nozioni di base tecnico-fisiche , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr: Biologia clinica delle radiazioni - in poche parole , Elsevier, Urban e Fischer, Monaco di Baviera 2006, ISBN 3-437-23960-0 .

link internet

Wikizionario: Radiazioni alfa  - spiegazioni di significati, origini delle parole, sinonimi, traduzioni

• Letteratura di e sulla radiazione alfa nel catalogo della Biblioteca nazionale tedesca
• Il "Glossario protezione dalle radiazioni" del Centro di ricerca Jülich ha spiegato molti termini relativi alle radiazioni ionizzanti (alfa, beta, radiazioni gamma, normative, protezione dalle radiazioni, ecc.).

video

• Spiegazione semplice di "uno e mezzo"

Evidenze individuali

1. ↑ Salvo diversa indicazione, le informazioni sulle proprietà delle particelle del riquadro informazioni sono tratte dalla pubblicazione del Task Group CODATA sulle costanti fondamentali : Valori raccomandati CODATA. National Institute of Standards and Technology, consultato il 4 luglio 2019 .  Le cifre tra parentesi indicano l'incertezza nelle ultime cifre del valore; questa incertezza è data come deviazione standard stimata del valore numerico specificato dal valore effettivo.
2. ↑ Cristina Cozzini et al., Rilevazione del naturale? decadimento del tungsteno , Physical Review C (2004), preprint .
3. ↑ Pierre de Marcillac et al., Rilevamento sperimentale di particelle alfa dal decadimento radioattivo del bismuto naturale , Nature 422, pp. 876-878 (24 aprile 2003), tabella dei risultati .
4. ↑ Dimostrazioni della lezione di scienze naturali di Harvard: α, β, γ Penetrazione e schermatura. Consultato il 20 febbraio 2020 . 
5. ^ C. Grupen: Astroparticle Physics , Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2 , p.78 .
6. ^ Radiazione dell'uranio e conduzione elettrica prodotta da esso . In: Rivista Filosofica . 5° puntata, volume 47, numero 284, 1899, pagina 116 ( doi: 10.1080 / 14786449908621245 ).
7. ^ Ernest Rutherford e T. Royds: La natura della particella α dalle sostanze radioattive. Phil Mag. 17, 281-6 (1909) in linea .
8. ↑ George Gamow (1928): Sulla teoria quantistica del nucleo atomico. Zeitschrift für Physik 51 , pagina 204