Alfa bozunması - Alpha decay

Alfa bozunmasının görsel temsili

Alfa bozunması veya α-bozunması , bir atom çekirdeğinin bir alfa parçacığı (helyum çekirdeği) yaydığı ve böylece kütle numarası dörde ve bir atom çekirdeğine indirgenmiş farklı bir atom çekirdeğine dönüştüğü veya "çürüdüğü" bir radyoaktif bozunma türüdür. sayısı ikiye düşürülür. Bir alfa parçacığı, iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum-4 atomunun çekirdeğiyle aynıdır . bir ücreti var+2  e ve bir kütleu . Örneğin, uranyum-238 bozunarak toryum-234'ü oluşturur . Alfa parçacıklarının bir yükü vardır +2  e , ancak bir nükleer denklem elektronları dikkate almadan bir nükleer reaksiyonu açıklar - çekirdeklerin mutlaka nötr atomlarda meydana geldiğini ima etmeyen bir sözleşme - yük genellikle gösterilmez. Alfa bozunması tipik olarak en ağır nüklidlerde meydana gelir. Teorik olarak, sadece nikelden biraz daha ağır olan çekirdeklerde (element 28) meydana gelebilir , burada nükleon başına toplam bağlanma enerjisi artık maksimum değildir ve nüklidler bu nedenle kendiliğinden fisyon tipi süreçlere karşı kararsızdır. Pratikte, bu bozunma modu sadece nikelden oldukça ağır nüklidlerde gözlemlenmiştir, bilinen en hafif alfa yayıcılar tellürün (element 52) en hafif izotoplarıdır (kütle numaraları 104-109 ). Ancak istisnai olarak berilyum-8 bozunarak iki alfa parçacığına dönüşür. Alfa bozunması, ana atomun tanımlanmış bir kızı nükleon koleksiyonunu çıkararak geride tanımlanmış başka bir ürün bıraktığı , küme bozunmasının açık ara en yaygın şeklidir . Kombine son derece yüksek nükleer bağlanma enerjisi ve nispeten küçük bir alfa parçacığı kütlesi nedeniyle en yaygın biçimdir . Diğer küme bozunmaları gibi, alfa bozunması da temelde bir kuantum tünelleme sürecidir. Beta bozunmasından farklı olarak , hem güçlü nükleer kuvvet hem de elektromanyetik kuvvet arasındaki etkileşim tarafından yönetilir . Alfa parçacıklarının tipik kinetik enerjisi 5 MeV'dir (veya toplam enerjilerinin ≈ %0.13'ü, 110 TJ/kg) ve yaklaşık 15.000.000 m/sn veya ışık hızının %5'i kadar bir hıza sahiptirler . Bu işlemin yarı ömrünün üretilen enerjiye aşırı bağımlılığı nedeniyle, bu enerji etrafında şaşırtıcı derecede küçük farklılıklar vardır . Nispeten büyük kütleleri nedeniyle, elektrik yükü+2  e ve nispeten düşük hıza sahip alfa parçacıklarının diğer atomlarla etkileşime girme ve enerjilerini kaybetme olasılığı çok yüksektir ve ileri hareketleri birkaç santimetre hava ile durdurulabilir . Dünya'da üretilen helyumun yaklaşık %99'u , uranyum veya toryum içeren yeraltı mineral yataklarının alfa bozunmasının sonucudur . Helyum, doğal gaz üretiminin bir yan ürünü olarak yüzeye çıkar .

Tarih

Alfa parçacıkları ilk olarak 1899'da Ernest Rutherford tarafından radyoaktivite araştırmalarında tanımlandı ve 1907'de He 2+ iyonları olarak tanımlandılar . 1928'de George Gamow , tünelleme yoluyla alfa bozunması teorisini çözmüştü. Alfa parçacığı, çekici bir nükleer potansiyel kuyusu ve itici bir elektromanyetik potansiyel bariyeri tarafından çekirdeğin içinde tutulur . Klasik olarak, kaçmak yasaktır, ancak (o zamanlar) yeni keşfedilen kuantum mekaniği ilkelerine göre , bariyerden " tünelleme " ve diğer tarafta çekirdekten kaçmak için görünme olasılığı çok küçük (ama sıfır olmayan) bir olasılıktır. . Gamow, çekirdek için bir potansiyel model çözdü ve ilk ilkelerden, daha önce ampirik olarak keşfedilen ve Geiger-Nuttall yasası olarak bilinen, bozunmanın yarı ömrü ile emisyonun enerjisi arasındaki bir ilişkiyi türetti .

mekanizma

Çekirdek kuvveti birlikte bir atom çekirdeğini tutan genel olarak itici çok daha güçlü çok güçlü elektromanyetik kuvvetler protonlar arasındaki. Bununla birlikte, nükleer kuvvet de kısa menzillidir, gücü yaklaşık 1 femtometrenin ötesine hızla düşerken, elektromanyetik kuvvetin sınırsız bir menzili vardır. Çekirdeği bir arada tutan çekici nükleer kuvvetin gücü, bu nedenle, nükleonların sayısıyla orantılıdır, ancak çekirdeği parçalamaya çalışan toplam yıkıcı elektromanyetik kuvvet, kabaca atom numarasının karesiyle orantılıdır. 210 veya daha fazla nükleonlu bir çekirdek o kadar büyüktür ki, onu bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet , içerdiği protonlar arasındaki elektromanyetik itmeyi zar zor dengeleyebilir. Alfa bozunması, boyutu küçülterek kararlılığı artırmanın bir yolu olarak bu tür çekirdeklerde meydana gelir.

Bir merak, alfa parçacıklarının, helyum çekirdeklerinin, tek bir proton veya nötron veya diğer atom çekirdekleri gibi diğer parçacıklara karşı tercihli olarak yayılması gerektiğidir . Bunun bir nedeni, alfa parçacığının yüksek bağlanma enerjisidir ; bu, kütlesinin iki proton ve iki nötronun kütlelerinin toplamından daha az olduğu anlamına gelir. Bu, parçalanma enerjisini arttırır. Denklemde verilen toplam parçalanma enerjisinin hesaplanması

burada m i çekirdeğin ilk kütlesidir, m f parçacık yayımından sonra çekirdeğin kütlesidir ve m p yayılan parçacığın kütlesidir, bazı durumlarda bunun pozitif olduğu ve dolayısıyla alfa parçacığı yayımlanmasının mümkün olduğu görülür. , diğer bozunma modları ise enerjinin eklenmesini gerektirir. Örneğin, uranyum-232 için hesaplama yapmak, alfa parçacık emisyonunun 5.4 MeV enerji verdiğini, tek bir proton emisyonunun ise 6.1 MeV gerektireceğini göstermektedir . Parçalanma enerjisinin çoğu , alfa parçacığının kendisinin kinetik enerjisi olur , ancak momentumun korunumunu korumak için enerjinin bir kısmı çekirdeğin kendisinin geri tepmesine gider (bkz. Atomik geri tepme ). Bununla birlikte, alfa yayan radyoizotopların çoğunun kütle sayıları, alfa parçacığının (4) kütle sayısından çok daha büyük olan 210'u aştığından, çekirdeğin geri tepmesine giden enerjinin oranı genellikle oldukça küçüktür, %2'den azdır, ancak geri tepme enerjisi (keV ölçeğinde) hala kimyasal bağların gücünden (eV ölçeğinde) çok daha büyüktür, bu nedenle yavru nüklid ebeveynin içinde bulunduğu kimyasal ortamdan kopacaktır. alfa parçacıkları, alfa spektrometrisi yoluyla radyoaktif ebeveyni tanımlamak için kullanılabilir .

Bununla birlikte, bu parçalanma enerjileri, alfa parçacığının kaçmasını önleyen elektromanyetik kuvvet tarafından oluşturulan itme potansiyeli bariyerinden önemli ölçüde daha küçüktür . Bir alfa parçacığını sonsuzdan çekirdeğe yakın, nükleer kuvvetin etki aralığının hemen dışındaki bir noktaya getirmek için gereken enerji genellikle yaklaşık 25 MeV aralığındadır. Bir alfa parçacığının, duvarları sonsuzdaki potansiyelin 25 MeV üzerinde olan potansiyel bir bariyerin içinde olduğu düşünülebilir. Bununla birlikte, bozunma alfa parçacıkları, kaçmak için gereken enerjiden çok daha az, sonsuzdaki potansiyelin sadece 4 ila 9 MeV üzerinde enerjiye sahiptir.

Ancak kuantum mekaniği, alfa parçacığının kuantum tünelleme yoluyla kaçmasına izin verir. 1928'de George Gamow ve Ronald Wilfred Gurney ve Edward Condon tarafından bağımsız olarak geliştirilen alfa bozunmasının kuantum tünelleme teorisi , kuantum teorisinin çok çarpıcı bir teyidi olarak selamlandı. Esasen, alfa parçacığı çekirdekten, onu çevreleyen duvarı aşmak için yeterli enerjiyi elde ederek değil, duvardan tünel açarak kaçar. Gurney ve Condon bu konudaki makalelerinde şu gözlemi yaptılar:

Şimdiye kadar, çekirdeğin bazı özel keyfi "kararsızlığını" varsaymak gerekliydi, ancak aşağıdaki notta, dağılmanın, herhangi bir özel hipotez olmaksızın kuantum mekaniği yasalarının doğal bir sonucu olduğuna işaret ediliyor... Çok şey yazıldı. α-parçacığının çekirdekteki yerinden fırlatıldığı patlayıcı şiddet. Ancak yukarıda resmedilen süreçten, α-parçacığının neredeyse fark edilmeden kayıp gittiği söylenebilir.

Teori, alfa parçacığının çekirdek içinde bağımsız bir parçacık olarak kabul edilebileceğini, yani sürekli hareket halinde olduğunu, ancak güçlü etkileşimle çekirdek içinde tutulabileceğini varsayar. Elektromanyetik kuvvetin itici potansiyel bariyeriyle her çarpışmada, tünelden çıkış yolunu açması için sıfırdan farklı küçük bir olasılık vardır. 1.5 x 10 bir hız ile bir alfa parçacığı 7  m / yaklaşık 10 arasında bir çekirdek çapı içinde s -14  bariyerli fazla 10 çarpışacak m 21 saniyede kez. Ancak, her çarpışmada kaçma olasılığı çok küçükse, radyoizotopun yarı ömrü çok uzun olacaktır, çünkü toplam kaçış olasılığının %50'ye ulaşması için gereken süre bu olacaktır. Uç bir örnek olarak, bizmut-209 izotopunun yarı ömrü ,2.01 × 10 19  yıl .

İzotoplar , beta-bozunumu sabit izobarlar açısından da kararlı olan , çift beta bozunması ile kütle numarası A  = 5, bir  = 8, 143 ≤  bir  ≤ 155, 160 ≤  bir  ≤ 162 ve bir  ≥ 165 alfa geçmesi için teori edilir çürümek. Diğer tüm kütle numaraları ( izobarlar ) teorik olarak tam olarak bir tane kararlı nüklide sahiptir ). Kütlesi 5 olanlar helyum-4'e ve bir proton veya bir nötrona bozunur ve kütle 8 olanlar iki helyum-4 çekirdeğine bozunur; yarı ömürleri ( helyum-5 , lityum-5 ve berilyum-8 )  , çok uzun olan A ≤ 209 olan tüm diğer nüklidlerin yarı ömürlerinin aksine çok kısadır . ( A  ≤ 209 olan bu tür nüklidler, 146 Sm hariç ilkel nüklidlerdir .)

Teorinin ayrıntılarını çalışmak, bir radyoizotopun yarı ömrünü alfa parçacıklarının bozunma enerjisiyle ilişkilendiren bir denkleme, deneysel Geiger-Nuttall yasasının teorik bir türevine götürür .

kullanır

Bir alfa yayıcı olan Americium-241 , duman dedektörlerinde kullanılmaktadır . Alfa parçacıkları iyonize açık hava iyon odası ve küçük bir akım iyonize hava akar. Yangından odaya giren duman parçacıkları akımı azaltarak duman dedektörünün alarmını tetikler.

Radium-223 aynı zamanda bir alfa yayıcıdır . İskelet metastazlarının (kemiklerdeki kanserler) tedavisinde kullanılır.

Alfa bozunması, uzay sondaları için kullanılan ve yapay kalp pilleri için kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörler için güvenli bir güç kaynağı sağlayabilir . Alfa bozunması, diğer radyoaktif bozunma biçimlerine göre çok daha kolay korunur.

Statik eliminatörler , havayı iyonize etmek için tipik olarak bir alfa yayıcı olan polonyum-210'u kullanır ve 'statik tutunmanın' daha hızlı dağılmasını sağlar.

toksisite

Yüksek yüklü ve ağır alfa parçacıkları , çok kısa bir ortalama serbest yol ile birlikte küçük bir malzeme hacmi içinde birkaç MeV enerjisini kaybeder . Bu , yutulduğunda, solunduğunda, enjekte edildiğinde veya deri yoluyla verildiğinde iç kontaminasyon durumlarında DNA'da çift ​​iplik kopması olasılığını artırır . Aksi takdirde, bir alfa kaynağına dokunmak tipik olarak zararlı değildir, çünkü alfa parçacıkları birkaç santimetre hava, bir kağıt parçası veya epidermisi oluşturan ince ölü deri hücreleri tabakası tarafından etkili bir şekilde korunur ; bununla birlikte, birçok alfa kaynağına beta yayan radyo kızları da eşlik eder ve her ikisine de genellikle gama foton emisyonu eşlik eder.

Göreceli biyolojik etkinlik (RBE), radyasyonun eşdeğer radyasyona maruz kalma için , özellikle kanser veya hücre ölümü gibi belirli biyolojik etkilere neden olma yeteneğini ölçer . Alfa radyasyonu, alfa parçacığının her angstromu için bir molekülün/atomun yaklaşık bir iyonizasyonu olan yüksek bir lineer enerji transfer (LET) katsayısına sahiptir . RBE, çeşitli hükümet düzenlemeleri tarafından alfa radyasyonu için 20 değerine ayarlanmıştır. RBE, nötron ışıması için 10'a ve beta radyasyonu ve iyonlaştırıcı fotonlar için 1'e ayarlanmıştır .

Bununla birlikte, geri tepme ana çekirdeği (alfa geri tepme) arasında (bakınız aynı zamanda iyonizasyon hasara neden olan enerji, önemli bir miktarda verir iyonlaştırıcı radyasyon ). Bu enerji kabaca alfanın ağırlığının (4  u ) ebeveynin ağırlığına (tipik olarak yaklaşık 200 u) çarpı alfanın toplam enerjisine bölünmesiyle bulunur. Bazı tahminlere göre, geri tepme çekirdeği bir alfa parçacığından çok daha büyük bir atomun parçası olduğundan ve çok yoğun bir iyonizasyon izine neden olduğundan, bu, dahili radyasyon hasarının çoğunu açıklayabilir; atom tipik olarak , tercihen kromozomlar üzerinde toplanan bir ağır metaldir . Bazı çalışmalarda bu, hükümet düzenlemelerinde kullanılan değer yerine 1.000'e yaklaşan bir RBE ile sonuçlanmıştır.

Kamu radyasyon dozuna büyük doğal katkıyı radon doğal olarak meydana gelen radyoaktif gaz toprak ve kaya bulundu. Gaz solunursa, radon parçacıklarının bir kısmı akciğerin iç astarına yapışabilir. Bu parçacıklar, akciğer dokusundaki hücrelere zarar verebilecek alfa parçacıkları yayarak çürümeye devam eder. Marie Curie'nin 66 yaşında aplastik anemiden ölümüne muhtemelen uzun süre yüksek dozda iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalması neden oldu, ancak bunun alfa radyasyonu mu yoksa X ışınlarından mı kaynaklandığı açık değil. Curie, beta ve gama ışınları yayan diğer radyoaktif malzemelerle birlikte radona dönüşen radyumla yoğun bir şekilde çalıştı . Bununla birlikte, Curie, I. Dünya Savaşı sırasında korumasız X-ışını tüpleriyle de çalıştı ve bir yeniden gömülme sırasında iskeletinin analizi, nispeten düşük düzeyde bir radyoizotop yükü gösterdi.

Rus muhalif Alexander Litvinenko'nun 2006 yılında radyasyon zehirlenmesiyle öldürülmesinin bir alfa yayıcı olan polonyum-210 ile gerçekleştirildiği düşünülüyor .

Referanslar

Notlar

Dış bağlantılar