Альфа частица гелия

АЛЬФА ЧАСТИЦА ГЕЛИЯ

Идея периодичности распространяется не только на свойства элементов, она применима и в ядерной физике, так как в строении атомных ядер также имеется общий, периодически повторяющийся план. Оболочечное строение свойственно и ядрам, и те из них, у которых оболочки заполнены, названы магическими в силу их особой прочности. Первым среди магических является ядро гелия — 4.
 
Оно даже дважды магическое, так как у него насыщены и протонная, и нейтронная оболочки.
Среди ядер ему нет равных по степени устойчивости, так как спины двух протонов и двух нейтронов здесь анти-параллельны, оттого суммарный спин ядра равен нулю, и в ядре нет сил отталкивания.
Трудно переоценить ту исключительную роль, какую сыграло гелиевое ядро (Не)⁺² в истории раскрытия тайн строения атома.
Изучение рассеяния гелиевых ядер привело Э. Резерфорда к понятию об атомном ядре как носителе массы и положительного заряда атома. Гелиевыми ядрами Резерфорд в 1919 г. бомбардировал азот, впервые осуществив искусственное превращение элементов:
 
¹⁴N(α, р)¹⁷О.
 
За этим последовало преобразование многих других ядер под действием α-частиц. В 1930 г. Боте и Беккер обнаружили некое большой проникающей способности излучение, которое возникает при обстреле бериллия α-частицами. Чедвик показал, что оно состоит из неизвестных до того времени элементарных частиц — нейтронов:
 
Ве(α, n)¹²С.  
 
Облучая алюминий α-частицами, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г. впервые получили неизвестный в природе радиоактивный элемент. Это был короткоживущий изотоп фосфора. В последующем был осуществлен синтез многих искусственных радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. В частности, обстрелом α-частицами плутония, америция, кюрия, эйнштейния были соответственно получены кюрий, берклий, калифорний, менделевий.
Значение α-частицы в радиационной технике и научных исследованиях определяется главным образом ее большой кинетической энергией и удобством наблюдения за ее пробегом и превращениями (например, в камера Вильсона), α-частица оставляет на своем пути след из десятков тысяч ионизированных атомов и молекул. Она движется по прямолинейной трассе, так как является самым крупным снарядом среди элементарных частиц, примерно в 7000 раз более массивным, чем электрон. Лишь при редких столкновениях с атомным ядром (их случается 3—5 при проходе сквозь миллион атомов) она отклоняется от первоначального направления.
 
К α-распаду склонны те ядра, которые имеют большое число протонов в сравнении с нейтронами. Известно около 200 -радиоактивных ядер. Причина этого явления в том, что нуклонам энергетически выгоднее вылетать из ядра в виде прочных α-частиц. Постоянно в ядре α-частицы не существуют, они формируются перед тем, как покинуть ядро.
 
Энергия связи α-частицы равна почти 29 МэВ. Иными словами, чтобы разрушить α-частицу, надо затратить энергию, в 4 раза большую, чем это требуется для разрушения атома гелия — конструкции, как мы знаем, также весьма прочной. Особенно важна устойчивость α-частицы к любым способам возбуждения. Чтобы удалить из ааа-частицы нуклон, надо затратить около 20 МэВ — в 2,5 раза больше энергии, чем для разрушения большинства атомных ядер.
 
Наименее активным из природных α-излучателей является самарий-147. Энергия вылетающей из него α-частицы равна 2,14 МэВ; частица, вылетающая из полония-212 — самого активного природного α-излучателя, имеет энергию в 10,54 МэВ.
В зависимости от энергии меняется и скорость движения α-частицы. В начальный момент она может достигать 21 км/сек — внушительной величины для столь массивной частицы. Однако время и длина пробега α-частицы очень малы. Вылетающая из атома самария-147 α-частица успевает пробежать в сухом воздухе 1,13 см, а вылетающая из полония-212 — 8,57 см. В твердых материалах длина пробега измеряется всего десятками, а то и единицами микрон.
 
Проходя через любую материальную среду, α-частица тормозится, растрачивая свою энергию на соударения и взаимодействие с электронными оболочками атомов и молекул. Здесь совершаются процессы трех типов. Во-первых, α-частица ионизирует встречные атомы и молекулы, разрушая их электронные оболочки. Ионизация на этом не заканчивается, так как в веществе образуются частицы, могущие в свою очередь играть роль ионизаторов. Во-вторых, многие атомы и молекулы возбуждаются, т. е. переходят в состояния с большей энергией. Наконец, имеет место диссоциация части молекул.
 
Каждый акт ионизации дает пару частиц, состоящую либо из положительного и отрицательного ионов, либо из положительного иона и электрона. На пути своего пробега одна α-частица образует от десятков тысяч до двухсот двадцати тысяч пар ионов. В воздухе она успевает разбить до ста тысяч молекул, пока, затормозись, не примет облик атома гелия с его нормальной скоростью движения. Что касается твердых и жидких сред, то народившийся здесь гелий задерживается при участии сорбционных сил.
 
Сложны и взаимно переплетены процессы, происходящие на пути следования α-частицы. Она захватывает и теряет электроны, меняя величину заряда тысячи раз, причем перезарядка особенно интенсивна на последнем участке пути. Любопытен обнаруженный П. Л. Капицей факт, что, несмотря на обилие превращений, больше чем 99% своего пути α-частица совершает в виде двухзарядного иона.
 
В земной коре насчитывается 29 способных к α-распаду элементов. Наиболее активными из них пользуются для удовлетворения нужд радиационной техники и научных опытов. Раньше для этой цели служили радий и радиоторий (торий-228), теперь их вытесняет искусственный плутоний-239. В специальных случаях, когда α-источник не должен испускать γ-лучи, применяется полоний-210. Энергия α-частиц обоих излучателей примерно одинакова — более 5 МэВ.
При современных возможностях техники радиоактивные изотопы уже рассматриваются как несовершенные и малопродуктивные α-источники. Их сменяют различные ускорители заряженных частиц. Здесь потоки α-частиц высокой энергии (порядка сотен МэВ) получают из гелия способом, противоположным природному процессу. С атомов гелия удаляются электроны, т. е. их дважды ионизируют, разгоняя в электрическом поле до скоростей, близких к космическим. Эта операция требует внушительной затраты энергии: 54,15 эВ на атом.
 
В отличие от атома гелия его ядро химически весьма активно. Химическое действие α-излучения сводится в основном к разложению молекул: водородные соединение галогенов разлагаются на галоген и водород; кислород воздуха образует озон — продукт соединения молекулярного кислорода с атомарным. По этой причине поверхность многих «металлов под влиянием α-облучения быстро окисляется. Попадая на кожу  человека  или  животного, α-лучи вызывают трудно заживающие ожоги, являющиеся следствием свертывания белков. Считают, что здесь про-является комбинированное воздействие α-лучей и вторичного излучения, поскольку сама α-частица не в состоянии проникнуть в живую ткань глубже, чем на сотню микрон.
 
Бумага при α-облучении становится хрупкой, каучук твердеет, кварцевое стекло трескается, многие органические соединения разлагаются с выделением газов, белый фосфор превращается в красный. Алмаз и некоторые соли люминесцируют голубым или зеленоватым сиянием вследствие возбуждения атомов в кристаллической решетке; стекло, фарфор и минералы окрашиваются вследствие выделения коллоидных металлов.
 
Химические превращения при облучении α-частицами обусловлены способностью возбужденных энергией излучения атомов и особенно молекул к самым разнообразным реакциям. В качестве промежуточных этапов здесь возможны отрыв и присоединение электронов и ионов. Может также происходить распад молекул, приводящий, например, к появлению свободных радикалов. Конечные результаты химических превращений — это обычно последствия большого числа различных актов взаимодействия.
Статья на тему Альфа частица гелия